DE3839916C2

DE3839916C2 -

Info

Publication number: DE3839916C2
Application number: DE19883839916
Authority: DE
Inventors: Hans Georg Prof. Dr.-Ing. Unger; Shun-Ping Dipl.-Ing. 3300 Braunschweig De Chen
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-11-26
Filing date: 1988-11-26
Publication date: 1991-08-01
Also published as: DE3839916A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen wellenlängenselektiven optischen Koppler, bestehend aus zwei miteinander gekoppelten planaren Wellenleitern, die bezüglich ihrer Querschnittsabmessungen und ihrer Brechzahlen so dimensioniert sind, daß die Grundwellen der beiden Wellenleiter bei einer von mehreren eingekoppelten Wellenlängen gleiche Phasenkoeffizienten und bei den anderen Wellenlängen unterschiedliche Phasenkoeffizienten aufweisen.

Ein solcher wellenlängenselektiver optischer Koppler geht aus der US-A 39 57 341 hervor. Dieser bekannte, aus zwei im Abstand nebeneinander verlaufenden Wellenleitern gebildete Koppler benötigt, um eine ausreichende Wellenlängenselektivität zu erreichen, eine recht große Koppellänge.

Ein als Leistungsteiler ausgebildeter optischer Koppler aus zwei miteinander gekoppelten planaren Wellenleitern ist aus der US 46 74 827 bekannt. Bei diesem Koppler sind die Querschnitte so bemessen, daß sich die in einen Zweig eingekoppelte Leistung auf zwei Ausgänge verteilt. Die Koppelstelle ist als Kreuzkoppler ausgebildet.

Aus der älteren Anmeldung DE 37 20 929 ist ein nichtreziprokes optisches Bauelement bekannt, bei dem der Koppelbereich so gewählt ist, daß sich die darin ausbreitenden Moden um einen Phasenunterschied von π/2 unterscheiden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen optischen Koppler der eingangs genannten Art anzugeben, der bei einer möglichst geringen Baulänge eine hohe Wellenlängenselektivität aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ein nach der Erfindung realisierter optischer Koppler weist eine sehr kurze Baulänge auf. Dies ist ein Vorteil, der bei der monolithischen Integration von optoelektronischen Bauelementen eine wesentliche Rolle spielt.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen optischen Koppler, bestehend aus zwei planaren Wellenleitern,

Fig. 2 einen Querschnitt A-A durch diesen Koppler und

Fig. 3 eine Leistungsübertragungscharakteristik eines Kopplers.

Den Fig. 1 und 2 ist eine Draufsicht und ein Querschnitt eines wellenlängenselektiven optischen Kopplers zu entnehmen. Dieser vier Tore 1-4 aufweisende Koppler besteht aus zwei planaren optischen Wellenleitern WL 1 und WL 2, die sich in einem Teilbereich der Länge l des Kopplers zu einem gemeinsamen Wellenleiter WL vereinen.

Das heißt die beiden Wellenleiter WL 1 und WL 2 bilden in diesem Teilbereich einen Wellenleiter WL, der einen anderen Querschnitt hat als jeder einzelne der beiden Wellenleiter WL 1 und WL 2.

Die beiden Wellenleiter WL 1 und WL 2 sind bezüglich ihrer Querschnitte und Brechzahlverteilungen so zu dimensionieren, daß die Grundwellen beider Wellenleiter bei einer vorgegebenen Wellenlänge λ_c gleiche Phasenkoeffizienten und bei allen anderen Wellenlängen λ≠λ_c unterschiedliche Phasenkoeffizienten aufweisen. Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, wird diese Voraussetzung von zwei Wellenleitern WL 1 und WL 2 erfüllt, die beide aus dem gleichen Material mit der Brechzahl n_g bestehen, aber unterschiedliche Querschnitte besitzen. Der Wellenleiter WL 1 hat einen rechteckigen Querschnitt der Höhe t₁, und der Breite w₁, und der andere Wellenleiter WL 2 hat einen rechteckigen Querschnitt mit einer größeren Höhe t₂, aber einer schmaleren Breite W₂ als der Wellenleiter WL 1.

Ist durch die Dimensionierung der zwei planaren Wellenleiter WL 1 und WL 2 dafür gesorgt, daß deren Grundwellen bei der vorgegebenen Wellenlänge λ_c gleiche Phasenkoeffizienten haben, so teilt sich eine z. B. an Tor 1 des Wellenleiters WL 1 eingespeiste Grundwelle auf zwei Eigenwellen des Kopplers auf, nämlich auf eine quasi-symmetrische und eine quasi-gegensymmetrische Eigenwelle auf.

Dabei ist die quasi-symmetrische Eigenwelle des Kopplers seine Grundwelle und wird quasi-symmetrisch genannt, weil sie der Grundwelle des symmetrischen Kopplers entspricht, die ihrerseits eine über den Querschnitt des Kopplers symmetrische Feldverteilung hat. Die quasi-gegensymmetrische Eigenwelle ist dagegen diejenige Eigenwelle des Kopplers, welche gegenüber seiner Grundwelle von nächsthöherer Ordnung ist. Sie wird quasi-gegensymmetrisch genannt, weil sie der Welle 1. Ordnung des symmetrischen Kopplers entspricht, die ihrerseits eine über den Querschnitt des Kopplers gegensymmetrische Feldverteilung hat.

Bei der Wellenlänge λ_c gleichen sich die Phasenkoeffizienten dieser Eigenwellen noch in dem Bereich des Kopplers, wo die zwei Wellenleiter WL 1 und WL 2 einen großen gegenseitigen Abstand haben. Sobald die beiden Wellenleiter sich aber einander nähern und erst recht, wenn sie sich zu einem gemeinsamen Wellenleiter WL vereinen, verschieben sich ihre Phasenkoeffizienten aber gegeneinander. Man muß nun die Länge l dieses gemeinsamen Wellenleiters WL und die Gesamtlänge L des Kopplers so wählen, daß die Eigenwellen, welche aus der am Tor 1 eingespeisten Grundwelle bei der vorgegebenen Wellenlänge λ_c hervorgehen, an den Toren 2 und 3 des Kopplers in der Phase um 180° gegeneinander verschoben sind. Dann überlagern sich die Eigenwellen am Tor 3 des dem mit der Grundwelle an Tor 1 gespeisten Wellenleiter WL 1 benachbarten Wellenleiters WL 2 nahezu zu der vollen Leistung der Eingangswelle. Dagegen löschen sich die Eigenwellen gegenseitig am Tor 2, dem Ausgangstor des mit der Grundwelle gespeisten Wellenleiters WL 1, fast vollständig aus. Für andere Wellenlängen als die vorgegebene Wellenlänge λ_c erfüllt der Koppler nicht die genannte Phasenbedingung für die Eigenwellen, so daß annähernd die genannte Leistung der Eingangswelle vom Eingangstor 1 des Wellenleiters WL 1 zu dessen Ausgangstor 2 übertragen wird und kein nennenswerter Leistungsanteil zum Tor 3 des benachbarten Wellenleiters WL 2 gelangt. Diese Wellenlängenselektivität des Kopplers veranschaulicht die Leistungsübertragungscharakteristik in Fig. 3. Die durchgezogene Kurve P_t gibt das Verhältnis der Ausgangsleistung P_a am Tor 2 zur Eingangsleistung P_e am Tor 1 des Kopplers in Abhängigkeit von der Wellenlänge der eingespeisten Grundwelle wieder. Und wie das Verhältnis der Ausgangsleistung P_a am Tor 3 zur Eingangsleistung am Tor 1 von der Wellenlänge λ der eingespeisten Grundwelle abhängt, beschreibt die strichlierte Kurve P_c. Der Koppler, auf den die in Fig. 3 dargestellte Leistungsübertragungscharakteristik zurückgeht, ist so dimensioniert worden, daß in beiden Wellenleitern WL 1 und WL 2 die Grundwellen bei einer Wellenlänge λ_c=1,5 µm die gleichen Phasenkoeffizienten haben.

Ein Koppler mit der in Fig. 3 verdeutlichten hohen Wellenlängenselektivität kann folgendermaßen hergestellt und dimensioniert sein: Auf einem aus InP bestehenden Substratmaterial mit der Brechzahl n_s wird epitaktisch ein Legierungshalbleiter der Brechzahl n_g<n_s, beispielsweise aus dem InP gitterangepaßtem InGaAsP, aufgewachsen. Der Arsenanteil, der Phosphor im Kristallgitter ersetzt, betrage in diesem Beispiel ca. 0,4. Anschließend wird die aufgewachsene InGaAsP-Schicht außerhalb der Wellenleiterstruktur bis auf eine Dicke von 300 nm weggeätzt. über dieses Niveau hinaus erheben sich ein erster Rippenwellenleiter WL 1 mit der Rippenhöhe t₁=80 nm und der Rippenbreite w₁ 1375 nm und ein zweiter Rippenwellenleiter WL 2 mit der Rippenhöhe t₂=100 nm und der Rippenbreite w₂=1032 nm. Die beiden Wellenleiter WL 1 und WL 2 müssen nicht wie beim soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel gleiche Brechzahlen haben. Sie können auch aus unterschiedlich dotierten Materialien mit verschiedenen Brechzahlen bestehen.

Die beiden Rippenwellenleiter WL 1 und WL 2 laufen zu beiden Seiten des gemeinsamen Rippenwellenleiters WL, der einen asymmetrischen Querschnitt der Breite W₁+W₂=1407 nm hat, geradlinig unter einem Winkel R=4,89° auseinander. Der gemeinsame Wellenleiter WL hat eine Länge l von nur 36 µm, und die Länge L des gesamten Kopplers beträgt nur 132 µm. Statt die Wellenleiter WL 1 und WL 2 zu beiden Seiten des gemeinsamen Wellenleiters WL geradlinig auseinanderlaufen zu lassen, können sie auch beide auf gekrümmten Bahnen auseinandergeführt werden, oder es wird nur ein Wellenleiter von dem anderen geradlinig verlaufenden Wellenleiter auf einer gekrümmten Bahn weggeführt.

Im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Kopplers waren die Wellenleiter WL 1 und WL 2 als Rippenwellenleiter realisiert. Die Wellenleiter können ebenso Streifenleiter oder streifenbelastete Filmwellenleiter sein.

Anders als ein Rippenwellenleiter besteht ein Streifenleiter aus einem normalerweise rechteckigen dielektrischen Streifen, der auf einem dielektrischen Substrat niedrigerer Brechzahl aufliegt, in dieses Substrat bündig versenkt oder darin sogar ganz vergraben ist. Ein streifenbelasteter Filmwellenleiter dagegen besteht aus einem dielektrischen Film, der auf einem dielektrischen Substrat niedrigerer Brechzahl aufliegt und der auf seiner Oberseite einen dielektrischen Streifen von normalerweise rechteckigem Querschnitt trägt.

Claims

1. Wellenlängenselektiver optischer Koppler, bestehend aus zwei miteinander gekoppelten planaren Wellenleitern, die bezüglich ihrer Querschnittsabmessungen und ihrer Brechzahlen so dimensioniert sind, daß die Grundwellen der beiden Wellenleiter bei einer von mehreren eingekoppelten Wellenlängen gleiche Phasenkoeffizienten und bei den anderen Wellenlängen unterschiedliche Phasenkoeffizienten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellenleiter (WL1, WL2) in einem Teilbereich des Kopplers zu einem gemeinsamen Wellenleiter (WL) vereint sind und daß dieser gemeinsame Wellenleiter (WL) so lang ist, daß zwei sich darin ausbreitende Eigenwellen des Kopplers, in die sich eine in einen der beiden Wellenleiter eingespeiste Grundwelle aufteilt, bei der einen Wellenleiterlänge eine solche gegenseitige Verschiebung ihrer Phasen erfahren, daß es nach dem gemeinsamen Wellenleiter (WL) in einem der beiden Wellenleiter (WL 1, WL 2) zu einer gegenphasigen und in einem Wellenleiter (WL1, WL2) zu einer gegenphasigen und in einem anderen Wellenleiter zu einer gleichphasigen Überlagerung der Eigenwellen kommt.

2. Wellenlängenselektiver optischer Koppler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellenleiter (WL1, WL2) zu beiden Seiten des gemeinsamen Wellenleiters (WL) unter einem festen Winkel (R) geradlinig auseinanderlaufen.

3. Wellenlängenselektiver optischer Koppler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellenleiter (WL1, WL2) zu beiden Seiten des gemeinsamen Wellenleiters (WL) auf gekrümmten Bahnen auseinanderlaufen.

4. Wellenlängenselektiver optischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich einer der beiden Wellenleiter (WL 1, WL 2) zu beiden Seiten des gemeinsamen Wellenleiters (WL) auf einer gekrümmten Bahn von dem anderen geradlinig verlaufenden Wellenleiter entfernt.

5. Wellenlängenselektiver optischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellenleiter (WL 1, WL 2) Streifenleiter sind.

6. Wellenlängenselektiver optischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellenleiter (WL 1, WL 2) als Rippenwellenleiter ausgebildet sind.

7. Wellenlängenselektiver optischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellenleiter (WL 1, WL 2) als streifenbelastete Filmwellenleiter ausgebildet sind.

8. Wellenlängenselektiver optischer Koppler nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellenleiter (WL 1, WL 2) verschiedene Querschnitte aufweisen.

9. Wellenlängenselektiver optischer Koppler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Wellenleiter (WL 1, WL 2) höher aber schmaler als der andere ist.

10. Wellenlängenselektiver optischer Koppler nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellenleiter (WL 1, WL 2) unterschiedliche Brechzahlverteilungen aufweisen.