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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische
Wellenleitervorrichtungen zur Verwendung in optischen Kommunikationssystemen.
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Optische Wellenleiter werden bei optischen Kommunikationen sowohl in
Wellenleitervorrichtungen, wie z. B. Richtungskopplerschaltern,
Phasenmodulatoren und interferometrischen Amplitudenmodulatoren, als auch in
optischen Fasern verwendet.
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Ein optischer Wellenleiter weist im allgemeinen einen Aufbau auf, der
eine Leitungszone, eine begrenzende Zone oder Zonen um die
Leitungszone, und einen Anschluß zum Koppeln elektromagnetischer Strahlung zu
der Leitungszone auf. Die Leitungszone hat einen höheren
durchschnittlichen Refraktionsindex als den der begrenzenden Zone oder Zonen und,
bei Verwendung, wandert Strahlung, die an dem Anschluß eingekoppelt
worden ist, längs der Leitungszone.
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Es ist bevorzugt, daß Signalverluste so niedrig wie möglich in einem
optischen Kommunikationssystem gehalten werden, und in dem Entwurf
einer Wellenleitervorrichtung zur Verwendung in solch einem System ist
es erstens wichtig, daß Ausbreitungsverluste in der Vorrichtung gering
sind, und zweitens, daß Kopplungsverluste zwischen ihr und benachbarten
Komponenten niedrig sind. Wellenleitervorrichtungen sind entwickelt
worden, deren Ausbreitungsverluste so niedrig wie 0,1 dB cm sind, aber
es traten Probleme auf beim Erreichen niedriger Kopplungsverluste.
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Insbesondere traten Probleme auf, wo eine Wellenleitervorrichtung mit
einer optischen Faser gekoppelt werden soll.
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Um niedrige Kopplungsverluste zwischen zwei Wellenleitern zu erreichen,
sollte die Verteilung der elektromagnetischen Strahlung an jedem
Anschluß grob äquivalent sein. Es hat sich jedoch als extrem schwierig
erwiesen, Wellenleitervorrichtungen herzustellen, in denen die Verteilung
von elektromagnetischer Strahlung grob äquivalent zu der der heute
gewöhnlich verwendeten optischen Fasern ist.
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In einer optischen Faser ist die gebräuchliche Anordnung die, daß die
Leitungs- und Begrenzungszonen durch Änderungen im Refraktionsindex
hergestellt werden, die in einer kreisförmig-symmetrischen oder
elliptischen Weise in dem Querschnitt der Faser verteilt sind. Die Mehrzahl
der heute in Telekommunikationssystemen verwendeten optischen Faser,
insbesondere in Weitdistanzsystemen, sind Monomodefaser; die einen
Kern mit einem höheren Refraktionsindex in der Größenordnung von
15 um oder weniger breit, und eine Beschichtung mit einem niedrigeren
Refraktionsindex haben, deren äußerer Durchmesser in der
Größenordnung von 150 um ist. Diese Faser werden verwendet, um Strahlung mit
einer Wellenlänge in dem Bereich von 0,8 bis 1,65 um zu übertragen,
wobei die Strahlung sich längs der Faser in einem transversalen
Einzelmode ausbreitet. Der Strahlpunkt bzw. Strahlfleck hat im allgemeinen
Dimensionen in dem Bereich von 5 bis 15 um und der Querschnitt des
Strahles ist kreisförmig-symmetrisch oder elliptisch als ein Ergebnis der
Verteilung von Refraktionsindexänderungen in der Faser.
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(Es sollte bemerkt werden, daß dort, wo Strahlen- oder
Strahlpunktdimensionen in dieser Spezifikation gegeben sind, sie sich auf die volle
Breite zu den 1/e-Punkten der Strahlungsverteilung in dem Strahl oder
dem Strahlpunkt beziehen).
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Eine Wellenleitervorrichtung, anders als eine optische Faser, basiert im
allgemeinen auf einer Materialplatte, in der Änderungen im
Refraktionsindex einfacher längs flacher Übergangsflächen hergestellt werden, als in
gekrümmten Verteilungen. Ein Aufbau, der dieses Prinzip verkörpert, ist
in Fig. 1 des US-Patentes 3,947,087 gezeigt, wo eine "multilayer
dielectric transmission device" gezeigt ist. Eine optische Begrenzung in einer
einzelnen Richtung ist durch sandwichartiges Anordnen einer dünnen
Schicht von Material mit einem ersten Refraktionsindex n&sub1; zwischen
Schichten von Material, das unterschiedliche Refraktionsindices hat,
bereitgestellt.
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Eine Halbleiterwellenleitervorrichtung kann in der Form von epitaxial
aufgewachsenen Schichten von Material auf einem Substrat hergestellt
werden. Änderungen in dem Refraktionsindex können dann in jeder der
beiden senkrechten Richtungen hergestellt werden. Zuerst können
Änderungen an den Übergangsflächen zwischen den Schichten von Material
durch Verwenden von Materialien mit unterschiedlichen
Refraktionsindizes hergestellt werden. Zweitens können Änderungen in der
senkrechten Richtung durch Herstellen von Stufen in den Schichten von Material
erzeugt werden, z. B. durch Ätzen unter Verwendung einer Maske. Die
Stufen können dann entweder der Luft ausgesetzt gelassen werden, die
einen niedrigen Refraktionsindex, verglichen mit Halbleitermaterial, hat,
oder in geeignetem Material mit einem vorausgewählten Refraktionsindex
eingegraben werden.
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Eine einfache Form einer Wellenleitervorrichtung, ein
Halbleiterrippenwellenleiter; kann ein Substrat aufweisen, auf das epitaxial drei
aufeinanderfolgende
Schichten von Material gewachsen sind: Zwei begrenzende
Schichten, die durch eine Leitungsschicht getrennt sind, wobei der
Refraktionsindex der Leitungsschicht größer als der der begrenzenden
Schichten ist. In einer zweiten Rolle, zusätzlich zu der eine
Begrenzungszone herzustellen, verhindert die untere begrenzende Schicht eine
Absorption von sich ausbreitender Strahlung durch das Substrat und die
obere begrenzende Schicht verhindert Absorption durch jede
Metallkontaktschicht, die auf dem oberen Teil der Vorrichtung angebracht werden
könnte. Material wird von zumindest einem Teil mit der Dicke der
oberen begrenzenden Schicht entfernt und kann auch von zumindest
einem Teil von der Dicke der Leitungsschicht entfernt werden, um eine
hochstehende Rippe zu bilden. Die Leitungszone weist dann die
Leitungsschicht in dem Bereich der Rippe und benachbarte Bereiche der
begrenzenden Schichten auf. Eine Begrenzung wird durch die
Refraktionsindexunterschiede zwischen der Leitungsschicht und den begrenzenden
Schichten bereitgestellt und, senkrecht dazu, durch die
Refraktionsindexänderungen an den Seiten der Rippe.
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Geeignete Materialien, aus denen solch eine
Halbleiterwellenleitervorrichtung gebaut sein kann, umfassen die III-V-Halbleitermaterialien und
können Gallium-Arsenid und Gallium-Aluminium-Arsenid oder
Indiumphosphid und Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid aufweisen. In jedem
dieser Fälle können Unterschiede im Refraktionsindex der Materialien
durch bekannte Verfahren gesteuert werden, wie z. B. durch Variieren der
Proportionen von Gallium und Aluminium, die in den Materialien
vorhanden sind.
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(Es sollte bemerkt werden, daß in dieser Spezifikation Begriffe wie z. B.
"oben" und "unten", die genommen werden könnten, um eine bestimmte
Orientierung eines Gegenstandes zu beinhalten, nur zum Zwecke der
Beschreibung verwendet werden und nicht als eine Beschränkung
genommen werden sollten.)
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In alternativen Formen der Rippenwellenleitervorrichtung kann die Rippe
in eine darauffolgende aufgewachsene Stufe eingegraben sein, oder die
Schichten können jeweils eine Zusammensetzung von dünneren Schichten
mit unterschiedlichen Refraktionsindizes sein. Die begrenzenden Schichten
haben nicht notwendigerweise den gleichen, oder den gleichen
durchschnittlichen, Refraktionsindex wie jede andere.
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Wellenleitervorrichtungen können alternativ aus dielektrischen Materialien
wie z. B. Lithiumniobat gebaut sein. In diesem Falle werden die Leitungs-
und Begrenzungszonen durch unterschiedliche Techniken hergestellt, aber
es treten wieder Änderungen im Refraktionsindex längs im wesentlichen
flacher Ebenen in der Vorrichtung auf.
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Durch Variieren der Positionen der Änderungen im Refraktionsindex und
durch Variieren der Werte dieser Änderungen kann die Natur des
Strahles, der sich in der Vorrichtung ausbreiten wird, gesteuert werden.
In dem obenbeschriebenen Haltleiterrippenwellenleiter können die
Dimensionen der Rippe, und der für die unterschiedlichen Schichten
ausgewählten Materialien, variiert werden, um den Strahl zu steuern.
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Um eine Vorrichtung zu erhalten, in der sich ein Strahl im transversalen
Einzelmode ausbreiten wird, ist es bekannt, eine relativ enge optische
Begrenzung zu benutzen: D.h., die Positionen der Änderungen im
Refraktionsindex, die wirken, um die Strahlung auf die Leitungszonen zu
begrenzen, sind physikalisch nahe beieinander. Dies ergibt einen
transversalen Einzelmode, aber auch eine kleine Punktgröße. Es ist hier; daß
Probleme beim Koppeln der Vorrichtung zu einer optischen Faser
auftreten.
Obwohl es relativ einfach ist, einen Strahl mit einem geeignet
geformten Querschnitt zu erhalten, ist es nicht einfach, ihn mit einer
ausreichend großen Punktgröße für ein gutes Koppeln zu den gewöhnlich
verwendeten Fasern zu erhalten. Um eine größere Punktgröße zu
erhalten, ist vorgeschlagen worden, eine relativ breite optische Begrenzung zu
verwenden, d. h. die Positionen der Änderungen im Refraktionsindex
weiter voneinander wegzubewegen. Dieses Bewegen der Positionen kann
jedoch verursachen, daß die Übertragung multimode wird. Die
Einzelmodenübertragung kann durch Reduzieren des Wertes der Änderungen
im Refraktionsindex bewahrt werden, aber dies tendiert dazu, solch
geringe Änderungen zu fordern, daß die Massenherstellung der
Vorrichtung unpraktikabel wird.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine
Einmodenwellenleitervorrichtung zur Verwendung in optischen Kommunikationssystemen
bereitzustellen, die so entworfen sein kann, daß sie eine große Punktgröße hat,
aber einfacher herzustellen ist, als Vorrichtungen der Vergangenheit.
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Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine
Einmodenwellenleitervorrichtung zum Koppeln optischer Strahlung zu
einer optischen Einmodenfaser bereitgestellt, die eine verlängerte
Leitungszone aufweist, die in jeder von zwei transversalen senkrechten
Richtungen durch einen Bereich eines höheren Refraktionsindex bestimmt
ist, der auf jeder Seite von Bereichen eines niedrigen Refraktionsindex
beschränkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten der
Richtungen die Änderungen im Refraktionsindex größer oder gleich 0,02 sind,
wobei die Bereiche eines niedrigeren Refraktionsindex durch einen
Abstand getrennt sind, der in dem Bereich von (0,8w&sub1;-2) bis 2,3w&sub1; (alle
Werte in Micrometer) einschließlich liegt, wobei w&sub1; das Mittel der Werte
für die Breite des Strahlpunktes der Vorrichtung in jeder der beiden
Richtungen ist, und daß in einer zweiten der Richtungen die Änderungen
im Refraktionsindex im Bereich von 0,0001 bis 0,01 einschließlich sind,
wobei die Bereiche von niedrigerem Refraktionsindex durch einen
Abstand getrennt sind, der geringer oder gleich w&sub1; ist, wobei sich die
Bereiche von niedrigerem Refraktionsindex weit genug weg von dem
Bereich höheren Refraktionsindex in der zweiten der Richtungen
erstrecken, so daß Strahlung, die sich in der Vorrichtung bei Benutzung
ausbreitet, nicht signifikant über die Bereiche von niedrigerem
Refraktionsindex leckt, wobei die Anordnung so ist, daß der Strahlpunkt der
Wellenleitervorrichtung zumindest im wesentlichen kreisförmig oder
elliptisch ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann dort
eine Einmodenwellenleitervorrichtung zum Koppeln zu einem optischen
Wellenleiter mit einer im wesentlichen kreisförmigen oder elliptischen
Strahlpunktgröße W&sub0; bereitgestellt sein, die eine Leitungszone und eine
Begrenzungszone aufweist, wobei die Leitungszone mit ersten und zweiten
Paaren von parallel planaren Übergangsflächen versehen ist, wobei die
Ebenen, in denen die Übergangsflächen zusammenliegen, einen
Materialbereich von rechteckigem Querschnitt definieren, wobei das erste Paar
von Übergangsflächen durch die Flächen einer Primärschicht von Material
von der Dicke T und einem Refraktionsindex n&sub1; bereitgestellt ist, die
zwischen oberen und unteren Sekundärschichten aus Material mit
durchschnittlichen Refraktionsindizes n&sub2; und n&sub4; sandwichartig angeordnet ist,
und wobei das zweite Paar von Übergangsflächen zumindest teilweise
durch die Seiten eines Bereiches der oberen Sekundärschicht von der
Breite t bereitgestellt ist, die zwischen zwei Bereichen aus Material mit
einem Refraktionsindex n&sub3; positioniert ist, wobei die folgenden
Randbedingungen gelten.
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(i) (n&sub1;-n&sub3;) ist größer als oder gleich 0,02;
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(ii) (n&sub1;-n&sub4;) und (n&sub1;-n&sub2;) liegen jeweils in dem Bereich von 0,01
bis 0,0001 einschließlich;
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(iii) T ist kleiner oder gleich zu W&sub0;;
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(iv) t liegt in dem Bereich von (0,8W&sub0;-2) bis 2,3 W&sub0;
einschließlich; und
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(v) die Dicke der Sekundärschichten ist groß genug, damit
Strahlung nicht hinter diese Schichten bei der Verwendung
der Vorrichtung leckt;
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alle Messungen sind in um.
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Es ist überraschend herausgefunden worden, daß
Wellenleitervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zum Koppeln zu optischen Fasern
von Punktgrößen, die in dem Bereich von 5 bis 15 um einschließlich
liegen, einen Strahl mit transversaler Einzelmode erzeugen, trotz der
Tatsache, daß eine optische Begrenzung durch eine sehr kleine Änderung
im Refraktionsindex nur in einer der zwei senkrechten Richtungen
anstelle von beiden bereitgestellt ist. Weil dies jedoch so ist, sind die
Wellenleitervorrichtungen einfacher herzustellen, da eine genaue
Steuerung der Unterschiede im Refraktionsindex nur bezüglich zwei
Übergangsflächen anstelle von vier ausgeführt werden muß, wie es in der
Vergangenheit getan werden mußte.
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Außerdem ist der Entwurf so, daß, trotz der offensichtlich wesentlichen
Asymmetrie der Leitungszone, der Strahlpunkt grob kreisförmig
symmetrisch oder elliptisch ist, wobei er mit dem einer optischen Faser
übereinstimmt.
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Der Bereich der oberen Sekundärschicht mit der Breite t, die zwischen
zwei Bereichen von Material mit einem Refraktionsindex n&sub3; positioniert
ist, kann eine hochstehende Rippe aufweisen, die durch entgegengesetzte
Stufen in der oberen Sekundärschicht zu jeder Seite, zu der das Material
mit dem Refraktionsindex n&sub3; liegt, gebildet ist. Alternativ können sich
die Stufen hinter die obere Sekundärschicht und in die Primärschicht
erstrecken, optional sich soweit wie die untere Sekundärschicht
erstrekkend.
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Wellenleitervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können z. B.
aus Halbleitermaterialien durch Standardherstellungstechniken hergestellt
werden, wie z. B. durch metallorganische Dampfphasenepitaxie
(MOVPE)-Wachsphasen und Ätzschritten.
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Eine Rippenwellenleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird jetzt nur beispielhaft mit Bezug auf die
begleitende Zeichnung beschrieben werden, in der:
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Fig. 1 einen Querschnitt der Vorrichtung zeigt; und
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Fig. 2 ein Konturbild einer elektromagnetischen
Strahlungsfeldverteilung solch einer Vorrichtung zeigt.
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Bezüglich auf Fig. 1 weist die Rippenwellenleitervorrichtung eine
Leitungsschicht 2 auf, die sandwichartig zwischen zwei begrenzenden oder
Pufferschichten 1, 3 angeordnet ist. Die untere Pufferschicht 1, von der
nur ein Teil gezeigt ist, liegt auf einem Substrat (nicht gezeigt), während
die Leitungsschicht 2 und die obere Pufferschicht 3 die Rippe der
Vorrichtung bereitstellen.
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Die Vorrichtung ist zur Verwendung mit optischen Fasern mit einer
Strahlpunktgröße von 10 um entworfen, die Strahlung von einer
Wellenlänge λ gleich zu 1,55 um übertragen, verteilt über den Strahl in einer
Weise, die zumindest angenähert Gauss-förmig ist.
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Die untere Pufferschicht 1 ist 12 um dick und besteht aus GaAlAs, das
einen Refraktionsindex n&sub2; von 3,4376 hat. Die Leitungsschicht 2 hat eine
Dicke T von 2 um und besteht aus GaAs, das einen Refraktionsindex n&sub1;
von 3,44 hat. Die obere Pufferschicht 3 ist 8 um dick, besteht wiederum
aus GaAlAs und hat einen Refraktionsindex n&sub4; ebenso von 3,4376. Die
Rippe hat eine Breite t von 14 um. An jeder Seite der Rippe und über
ihr befindet sich Luft mit einem Refraktionsindex n&sub3; gleich zu 1,0.
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Bezüglich auf Fig. 2 ist gezeigt worden, daß die obenbeschriebene
Vorrichtung einen Einzelmodenstrahl erzeugen würde, dessen
elektromagnetische Feldverteilung durch im wesentlichen kreisförmig symmetrische
Konturlinien 4 dargestellt werden kann.
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Außerdem ist berechnet worden, daß eine Vorrichtung wie oben
beschrieben eine Kopplungseffizienz von 87% (0,6 dB) ergeben würde,
wenn sie mit einer kreisförmig symmetrischen optischen Faser mit einer
Punktgröße W&sub0; von 10 um und einem Gauss'schen Feldprofil gekoppelt
wird.
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Obwohl der Rippenwellenleiter, der mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben
worden ist, eine Rippe hat, die der Luft an seinen Seiten und der
oberen Oberfläche ausgesetzt ist, kann in der Praxis die Rippe
eingegraben sein. In dem Falle, daß die Rippe eingegraben ist, wird der
Refraktionsindex des eingrabenden Materials durch n&sub3; dargestellt werden.
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Die obenbeschriebene Vorrichtung ist darin spezifisch, daß sie entworfen
ist, um mit einer Faser zu arbeiten, die bestimmte Charakteristiken hat,
einschließlich der einen kreisförmigen Strahlpunkt von Strahlung einer
bestimmten Wellenlänge, 1,55 um, zu erzeugen. In der Praxis jedoch
kann die Wellenleitervorrichtung zu optischen Wellenleitern gekoppelt
werden, die irgendeine in einem Bereich von Charakteristiken haben.
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Wo eine Wellenleitervorrichtung mit einem Wellenleiter koppeln soll, der
einen elliptischen Strahlpunkt mit einer horizontalen axialen Dimension
von Wox und einer vertikalen axialen Dimension von Woy hat (dessen
Durchschnitt Wo ist), fallen Wox und Woy in das Kriterium:
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(a) 0.5 ≤ (Wox Woy)/W²o ≤ 2; und
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(b) 0.7 ≤ Wox/Woy ≤ 1.5,
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dann unter Verwendung der Kennzeichnung:
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n&sub1; = der Refraktionsindex der Primärschicht,
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n&sub2; = der Refraktionsindex der unteren Sekundärschicht,
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n&sub3; = der Refraktionsindex des Materials an jeder Seite der
Rippe (in dem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist
dieses Material Luft),
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n&sub4; = der Refraktionsindex der oberen Sekundärschicht,
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t = die Breite der Rippe,
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h) T = die Dicke der Primärschicht, und
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i) λ = die Wellenlänge der betreffenden Strahlung, wobei der
Entwurf der Wellenleitervorrichtung innerhalb der
folgenden Entwurfsrandbedingungen variieren kann ohne von der
vorliegenden Erfindung abzuweichen:
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(i) wähle T gemäß
2.388 ≥ Wox/(Woy-T/2) ≥ 1.194;
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(ii) wähle n&sub1; und n&sub2; so, daß
λ/2π ≥ (n²&sub1;-n²&sub2;)0.05 ≥
λ/(π[T(Woy-T)]0.05);
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(iii) wähle n&sub3; so, daß aA(nn)0.5 V 1.55l/Wox;
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(iv) wähle n&sub4; so, daß
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Mod[(n&sub2;²-n²&sub4;)/(n²&sub1;-n&sub2;²)] θ X; und
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Mod[(n²&sub2;-n&sub4;²/(n²&sub1;-n²&sub2; )] ≤ Y; wobei
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X tan²(2πT[n²&sub1;-n&sub2;²]0.5/λ); und
Y = tan²([9.552T/Wox]0.5); und
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(v) wähle t so, daß
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1.3155Wox -λ/π(n&sub2;²-n²&sub3;)0.5 ≤ t; und
t ≤ 1.3155Wox - λ/π(n²&sub1;-n²&sub3;)0.5;
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wobei die Dicke der begrenzenden Schichten 1, 3 groß genug sind, daß
Strahlung von dem Strahl, die sich in der Wellenleitervorrichtung bei
Verwendung ausbreitet, nicht hinter die begrenzenden Schichten 1, 3
leckt. Bei Betrachtung des letzteren können die begrenzenden Schichten
1, 3 z. B. jeweils zumindest gleich zu 2Wo/3 in der Dicke sein.
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Es wird von dem Obigen gesehen werden, daß die Refraktionsindizes der
beiden begrenzenden Schichten 1, 3 nicht gleich sein müssen.
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Eine Wellenleitervorrichtung, die unter die obigen
Entwurfsrandbedingungen fällt, stellt im wesentlichen eine Kombination einer engen optischen
Begrenzung mit kleinen Unterschieden im Refraktionsindex längs einer
Achse dar und einer breiten optischen Begrenzung mit größeren
Unterschieden im Refraktionsindex längs einer senkrechten Achse.
Überraschenderweise ist eine transversale Einzelmodenausbreitung erreicht
worden trotz der breiten Begrenzung und größeren Unterschieden im
Refraktionsindex längs der senkrechten Achse.
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Eine Wellenleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung könnte als ein Endabschnitt einer zweiten
Vorrichtung verwendet werden, wie z. B. einem Phasenmodulator; um sie mit
einer optischen Faser zu koppeln. Dies würde vorteilhaft sein, wo die
zweite Vorrichtung Strahlparameter erfordert, die mit denen im
Gegensatz stehen, die für ein gutes Koppeln mit einer optischen Faser
erforderlich sind.
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Es wird realisiert werden, daß die elektromagnetische Feldverteilung einer
Vorrichtung wichtig ist in dem Bereich des Anschlusses zu der
Leitungszone, eher als längs der Länge der Vorrichtung, da es an diesem
Anschluß ist, wo das Koppeln mit einer anderen optischen Komponente
auftritt.
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Obwohl größtenteils Bezug auf das Koppeln zwischen
Wellenleitervorrichtungen und einer optischen Faser gemacht worden ist, kann es sein,
daß Koppeln mit einer Komponente mit Strahlcharakteristiken
erforderlich ist, die ähnlich denen einer optischen Faser sind, wobei die
Komponente selbst nicht eine optische Faser ist. Wellenleitervorrichtungen
gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden natürlich
auch geeignet sein zur Verwendung mit solchen Komponenten.