DE3829540C2

DE3829540C2 - Gebogener Wellenleiter für eine integrierte optische Schaltung

Info

Publication number: DE3829540C2
Application number: DE3829540A
Authority: DE
Inventors: Kimio Shigihara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-09-02
Filing date: 1988-08-31
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2008-09-01
Also published as: US4988156A; NL194704C; NL8802161A; DE3829540A1; JPS6462602A; NL194704B; JP2553583B2

Description

Die Erfindung betrifft einen gebogenen Wellenleiter für eine integrierte op tische Schaltung mit einem innerhalb eines Mantelbereichs angeordneten Kernbereiches, dessen Brechungsindex größer als derjenige des Mantel bereichs ist.

Aus der Veröffentlichung Applied Optics, Vol. 14, No. 11, Nov. 1975 ist ein gebogener Wellenleiter bekannt, der eine kontinuierlich verlaufende Bie gung aufweist. Im Verlaufe dieser kontinuierlich verlaufenden Biegung bleiben die Brechungsindexverhältnisse von Kernbereich und Umhül lungsschichten unverändert und können daher rechnerisch relativ exakt erfaßt werden und sind einer analytischen Optimierung zugänglich. Durch entsprechend bemessene Relation der Brechungsindizes von Kern und Umhüllung lassen sich dadurch Abstrahlungsverluste weitgehend vermeiden.

In der Praxis kommt es häufig vor, daß diskontinuierlich verlaufende Bie gungsbereiche, z. B. Abknickungen, vorhanden sind, bei denen relativ hohe Abstrahlverluste auftreten. Bei den aus der DE 32 14 471 A1 bekannten gekrümmten dielektrischen Leitungen, die mindestens aus zwei mitein ander verbundenen Leitungsabschnitten, von denen mindestens eine ge krümmt ist, bestehen, werden unterschiedliche Brechungsindexprofile der Leitungsschichten im geraden bzw. gekrümmten Bereich vorgesehen, um Abstrahlverluste zu verringern. In Abhängigkeit des Krümmungsradius und des Brechungsindexprofils des geraden Leitungsabschnittes wird das Brechungsindexprofil des gekrümmten Leitungsabschnittes be stimmt. Die geraden bzw. gekrümmten Leiterbereiche weisen jeweils Lei terschichten mit konstanter Dicke auf, wobei die innenliegende Schicht einen höheren Brechungsindex aufweist als die außenliegende Schicht.

Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf einen gebogenen, herkömmlichen Wellenleiter für eine integrierte optische Schaltung.

Der in Fig. 4 gezeigte abgebogene Wellenleiter enthält einen Kernbereich (1) sowie Mantelbereiche (2) an beiden Seiten des Kernbereichs (1), so daß der Kernbereich (1) zwischen den Mantelbereichen (2) zu liegen kommt.

Bei diesem gebogenen bzw. abgebogenen Wellenleiter wird von der linken Seite in der Zeichnung einfallendes Licht zur rechten Seite geführt und im abgebogenen Bereich (B) abgestrahlt bzw. gestreut.

Die Fig. 5 zeigt Übergänge von elektrischen Feldverteilungen nach je weils 10 µm Intervallen für einen Fall, bei dem Licht mit einer Wellenleiter mode TE₀ in den abgebogenen Wellenleiter einfällt. Im vorliegenden Fall weist der Kernbereich (1) einen Brechungsindex (n₁) von 1,5 auf, während die Mantelbereiche (2) einen Brechungsindex (n₂) von 1,49 aufweisen. Die Wellenlänge ist auf 1 µm eingestellt. Die elektrischen Feldverteilungen sind beim Durchlaufen des abgebogenen Bereichs (B) kegelförmig ausge bildet und erstrecken sich nach außen bzw. in die Mantelbereiche (2) hinein, was bedeutet, daß Licht abgestrahlt wird.

Der Kopplungskoeffizient zwischen der elektrischen Feldverteilung und der Wellenleitermode TE₀ liegt nach Durchlaufen des abgebogenen Be reichs (B) bei etwa 37%, und zwar infolge des hohen Anteils des abgestrahl ten Lichtes in der Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs (B).

Bei diesem herkömmlichen abgebogenen Wellenleiter für eine integrierte optische Schaltung wird das Licht zu einem großen Teil in der Nachbar schaft des abgebogenen Bereichs (B) abgestrahlt, so daß es schwierig ist, mit diesem Wellenleiter eine integrierte optische Schaltung zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gebogenen optischen Wellenleiter für eine integrierte optische Schaltung zu schaffen, bei dem weniger Licht im abgebogenen bzw. abgeknickten Bereich der diskontinuier lichen Biegung des Kernbereichs und des Mantelbereichs abgestrahlt wird.

Der erfindungsgemäße Wellenleiter ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Ge genstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Wellenleiter zeichnet sich demgemäß dadurch aus, daß bei diskontinuierlich verlaufender Biegung an der Innenseite der Bie gung zwischen Kernbereich und Mantelbereich ein den Kernbereich erwei ternder, wellenleitender Bereich mit größerem Brechungsindex als demje nigen des Kernbereichs vorgesehen ist, dessen Fläche in der Wellenfort pflanzungsrichtung von einem vor dem Abknickpunkt liegenden Nullwert auf einen Maximalwert am Abknickpunkt ansteigt und dann hinter dem Abknickpunkt wieder auf den Nullwert absinkt.

Durch Anordnen eines lokalen Wellenleiterbereiches mit höherer Bre chungsindexzahl ändert sich die Brechungsindexverteilung in diesem ge bogenen Bereich zwischen den beiden Nullwerten in Richtung der Wellen ausbreitung.

Bei einer sehr vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung weist der Mantelbereich an der Außenseite des diskontinuierlich gekrümmten Be reichs einen lokalen Teilbereich auf, der einen ähnlichen Verlauf seiner Fläche wie der den Kernbereich erweiternde Bereich aufweist, und dessen Brechungsindex kleiner ist als derjenige des Mantelbereichs an der Innen seite des diskontinuierlich gekrümmten Bereichs.

Eine Lichtwelle, die sich in der Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs ausbreitet, wird im lokalen Wellenleiterbereich sowie im Kernbereich ge führt, wobei die Lichtwelle zur Innenseite des abgebogenen Bereichs gezo gen wird.

Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen schematisch dargestellten, abgebogenen Wellenleiter für eine integrierte optische Schaltung in Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 die Amplitudenverteilung einer Lichtwelle, die sich entlang des gebogenen Wellenleiters in Fig. 1 ausbreitet,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen schematisch dargestellten, gebogenen Wellenleiter für eine integrierte optische Schaltung in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen abgebogenen Wellenleiter für eine integrierte optische Schaltung in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik und

Fig. 5 die Amplitudenverteilung einer Lichtwelle, die den abgebogenen Wellenleiter nach Fig. 4 durchläuft.

Im nachfolgenden wird das erste Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Fig. 1 näher beschrieben. In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer (1) ein Kernbereich eines abgebogenen Wellenleiters versehen. Ein Mantelbe reich trägt das Bezugszeichen (2) und liegt an beiden Seiten des Kern bereichs (1), so daß der Kernbereich (1) zwischen dem Mantelbereich (2) zu liegen kommt. Der Mantelbereich (2) weist einen inneren Seitenteil (2A) und einen äußeren Seitenteil (2B) auf. Ein lokaler Wellenleiterbereich (3) ist im inneren Seitenteil (2A) des Mantelbereichs (2) vorhanden, und zwar in der Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs (B). Die Brechungsindizes von Kernbereich (1), Mantelbereich (2) und lokalen Wellenleiterbereich (3) sind der Reihe nach mit n₁, n₂ und n₃ bezeichnet, wobei die Beziehungen zwischen ihnen so gewählt sind, daß n₁ < n₂, und n₃ < n₁ oder n₃ < n₂ gilt. Dieser lokale Wellenleiterbereich (3) wird durch teilweises Umbiegen des Wellenleiters um einen Winkel von 1° an einer Position erzeugt, die um l = 40 µm vom Punkt der Umbiegung entfernt liegt. Der lokale Wellenleiter bereich (3) dient dazu, die Lichtwelle, die sich in der Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs (B) ausbreitet, stark einzugrenzen bzw. zu führen, und dazu, die Lichtwelle zur inneren Seite des abgebogenen Bereichs (B) zu ziehen.

Als Material für den Kernbereich (1), den Mantelbereich (2) und den lokalen Wellenleiterbereich (3) kann dielektrisches Material zum Einsatz kommen, wie z. B. Glas (SiO₂), LiNbO₃ oder LiTaO₃, aber auch Halbleiter material, wie z. B. AlGaAs, InGaAsP, usw. In jedem der genannten Fälle lassen sich die entsprechenden Bereiche (1), (2) und (3) durch Unterscheidung der Brechungsindizes für diese Bereiche erhalten. Wird z. B. LiNbO₃ ver wendet, so lassen sich durch Diffusion von Titan oder durch Protonenaus tausch verschiedene Brechungsindizes einstellen, wobei diese umso größer werden, je höher der Anteil der Titandiffusion oder der Anteil des Protonenaustausches ist. Im Falle von AlGaAs wird der Brechungsindex mit steigendem Anteil an Al erhöht.

Der Kopplungskoeffizient zwischen der elektrischen Feldverteilung und der TE₀ Wellenleitermode nach Durchlaufen der Abbiegung kann durch die nachfolgende Gleichung (1) wie folgt ausgedrückt werden:

Hierin ist E₀(x, zl) eine elektrische Feldverteilung der TE₀ Mode am emittierenden Ende zl = 100 µm, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Der Ausdruck E(x, zl) stellt die elektrische Feldverteilung am Punkt z = zl dar, der mit Hilfe des PBM-Verfahrens (Propagating Beam Method) berechnet worden ist. Die oben beschriebene Integration wird auf numerischem Wege vorgenommen.

In diesem Fall wird ein Kopplungskoeffizient von etwa 68% erhalten, was gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Verbesserung darstellt.

Im nachfolgenden wird die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Das Licht einer TE₀ Mode, die den lokalen Wellenleiterbereich (3) erreicht hat, wird ins Innere des abgebogenen Bereichs (B) gezogen, da der Brechungsindex (n₃) des lokalen Wellenleiterbereichs (3) größer ist als der Brechungsindex (n₂) des Mantelbereichs (2) oder als der Brechungsindex (n₁) des Kernbereichs (1). Deswegen wird die Abstrahlung in der Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs (B) verringert.

Die Fig. 3 zeigt einen gebogenen Wellenleiter nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel liegt ein lokaler Abdeck- bzw. Hüllenbereich (4) an der Außenseite des abgebogenen Bereichs (B). Dieser lokale Abdeck- bzw. Hüllenbereich (4) erstreckt sich etwa um mehrere 10 µm ausgehend vom abgebogenen Bereich (B) nach vorn und nach hinten.

Der Brechungsindex (n₄) des lokalen Abdeck- bzw. Hüllenbereichs (4) ist kleiner als der Brechungsindex (n₂) des Mantelbereichs (2). Ist ein derartiger lokaler Abdeck- bzw. Hüllenbereich (4) vorhanden, so wird das Licht im abgebogenen Bereich (B) zusätzlich ins Innere abgelenkt, so daß der abgebogene Bereich (B) noch weniger Strahlung nach außen abstrahlt. Der Kopplungskoeffizient hängt in diesem Fall in großem Umfang vom Aufbau und vom Brechungsindex des lokalen Abdeck- bzw. Hüllenbereichs (4) ab.

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist ein lokaler Wellenleiterbereich mit einem größeren Brechungsindex als der des Kernbereichs des abgebogenen Wellenleiters oder als der des Abdeck- bzw. Hüllenbereichs des abgebogenen Wellenleiters im Abdeck- bzw. Hüllenbereich in der Nachbarschaft der inneren Seite des abgebogenen Teils (B) des abgebogenen Wellenleiters vorhanden. Die Abstrahlung von Licht vom abgebogenen Bereich (B) läßt sich somit reduzieren, so daß der abgebogene Wellenleiter zum Aufbau einer integrierten optischen Schaltung verwendet werden kann.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Bereich (4) zusätzlich zum Bereich (3) vorhanden. Der Bereich (3) verläuft unter einem Winkel (b) von 1° relativ zum Bereich (1) und beginnt bei l = 40 µm vor dem Abknickpunkt des Kernbereichs (1).

Claims

1. Gebogener Wellenleiter für eine integrierte optische Schaltung mit einem innerhalb eines Mantelbereichs (2) angeordneten Kernbereich (1), dessen Brechungsindex größer als derjenige des Mantelbereichs ist, da durch gekennzeichnet, daß bei diskontinuierlich verlaufender Biegung an der Innenseite der Biegung zwischen Kernbereich (1) und Mantelbe reich (2) ein den Kernbereich (1) erweiternder wellenleitender Bereich (3) mit größerem Brechungsindex (n3) als demjenigen (n1) des Kernbereichs vorgesehen ist, dessen Fläche in der Wellenfortpflanzungsrichtung von einem vor dem Abknickpunkt liegenden Nullwert auf einen Maximalwert am Abknickpunkt ansteigt und dann hinter dem Abknickpunkt wieder auf den Nullwert absinkt.

2. Gebogener Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Mantelbereich (2) an der Außenseite des diskontinuierlich ge krümmten Bereichs einen lokalen Teilbereich (4) aufweist, der einen ähn lichen Verlauf seiner Fläche wie der den Kernbereich (1) erweiternde Bereich (3) aufweist, und dessen Brechungsindex (n4) kleiner ist als derjenige des Mantelbereichs (2) an der Innenseite des diskontinuierlich ge krümmten Bereichs.