DE3853659T2 - Verbindung von optischen Fasern mit integrierten optischen Schaltungen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf die Verbindung optischer Fasern mit integriertoptischen Schaltungen.
Stand der Technik
• Der Begriff Integrierte Optik bezieht sich auf eine Gruppe von Vorrichtungen zur Leitung und Steuerung von Licht in dünnen Schichten oder engen Wellenleitungskanälen, die in einem geeigneten dielektrischen Material angebracht sind. Vorrichtungen der integrierten Optik (I/O) können entweder Einzeleinrichtungen wie Übertrager, Filter, Modulatoren, Speicherelemente und andere Bauelemente sein oder sie können mehrere Funktionen in einer einzigen Vorrichtung kombinieren, d.h. integrieren.
• Obwohl verschiedene Werkstoffe bei der Herstellung integriert-optischer Vorrichtungen benutzt wurden, ist eines der am weitesten verbreiteten Materialien hierfür Lithium-Niobat. Lithium-Niobat wird hauptsächlich wegen seiner optischen und elektrooptischen Eigenschaften verwendet. Bei Raumtemperatur gehört die Atomstruktur von Lithium-Niobat zur rhombohedralen (trigonalen) Raumgruppe R3c, wobei die Punktgruppe 3m ist. Diese Form von Lithium-Niobat ist stabil bis zur ferroelektrischen Übergangstemperatur bei etwa 1.200ºC, wo ein Übergang zu einer nicht-polaren Punktgruppe 3m erfolgt. Kristallografisch kann man die Parameter für Lithium-Niobat entweder als eine hexagonale oder eine rhombohedrale Einheitszelle bestimmen. Wenn diese als rhombohedrale Einheitszelle gemessen wird, so zeigt die Atomstruktur von Lithium-Niobat einen interachsialen Winkel von etwa 56º sowie eine Achsenlänge der Einheitszelle von etwa 5,5 Angström. Als hexagonale Einheitszelle hat die Atomstruktur von Lithium-Niobat eine Achsenlänge (a=b) der Einheitszelle von etwa 5,5 Angström sowie eine Länge der c-Achse von etwa 13,8 Angström. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird die hexagonale Einheitszelle benutzt, um die Atomstruktur des Lithium-Niobat zu definieren.
• Ferner ist Lithium-Niobat dadurch gekennzeichnet, daß es starke pyroelektrische piezoelektrische, fotoelastische sowie elektrooptische Eigenschaften hat. Als pyroelektrische Eigenschaft ist zum Beispiel eine spontane Polarisation des Kristalls als Funktion der Temperatur anzusehen, als piezoelektrische Eigenschaft die induzierte Polarisation als Funktion einer einwirkenden Kraft, die fotoelastische Eigenschaft zum Beispiel als Änderung des Brechungsindex als Funktion einer angelegten Kraft, und als elektrooptische Eigenschaft die Änderung im Brechungsindex als Funktion eines angelegten elektrischen Feldes. Lithium-Niobat ist ferner doppeltbrechend, das heißt, linear polarisierte elektromagnetische Wellen pflanzen sich mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und längs zweier rechtwinkliger Hauptverschieberichtungen fort. Es zeigt einen sehr starken gruppenfotovoltaischen Effekt, der auch zu einem merkbaren Fotobrechungseffekt führen kann, das heißt einer Änderung des Brechungsindex als Funktion einer Änderung der optischen Intensität des den Kristall durchsetzenden Lichtes, vergleiche R. S. Weis und T. K. Gaylord: Appl. Phys. A37, Seiten 191-203 (1985).
• Mit all diesen optischen und elektrooptischen Eigenschaften hat Lithium-Niobat eine breite Anwendung in Labor- und Experimentalsystemen gefunden. Um jedoch Lithium-Niobat praktisch in integriert-optischen Vorrichtungen anzuwenden, harren zahlreiche Materialprobleme der Lösung. Eines dieser Probleme besteht darin, daß Lithium-Niobat-Vorrichtungen eine Kopplung zwischen der Vorrichtung selbst und optischen Fasern erfordern, die in einem breiten Bereich von Umgebungsbedingungen (z. B. Schock, Vibration und Temperatur) funktionsfähig sind. Diese Unmöglichkeit, eine gegen Umgebungseinflüsse stabile Kopplungsvorrichtung zu schaffen, beruht auf den stark anisotropen thermischen Ausdehnungseigenschaften des Lithium-Niobat sowie der Verschiebung zwischen dem Wellenleiter und der optischen Faser. Eine starke anisotrope thermische Ausdehnungseigenschaft bedeutet, daß die Dimensionsänderungen im Werkstoff bei Temperaturänderungen in unterschiedlichen Kristallrichtungen verschieden sind. Lithium-Niobat zeigt eine thermische Ausdehnung längs der Z-Achse in der Größenordnung zwischen 2 x 10&supmin;&sup6;/ºC bis 7,5 x 10&supmin;&sup6;/ºC. Die Z-Achse ist dabei als diejenige Achse definiert, um welche der Kristall eine dreifache Rotationssymmetrie aufweist. Die genannten Variationen ergeben sich aus der Verwendung unterschiedlichen Materials durch die Forscher, durch die verschiedenen Meßtechniken sowie aufgrund unterschiedlicher Temperaturbereiche. Die thermische Ausdehnung in der isotropen X- oder Y-Achse liegen im Bereich zwischen 14 x 10&supmin;&sup6;/ºC bis 17 x 10&supmin;&sup6;/ºC. Bei praktischen militärischen Anwendungen, bei denen die integriertoptische Vorrichtung Temperaturänderungen zwischen -40ºC und +80ºC überstehen muß, es erforderlich ist, daß die anisotropen thermischen Ausdehnungseigenschaften der integriert-optischen Vorrichtung einerseits und der Kopplungsvorrichtung andererseits im wesentlichen übereinstimmen, um die Verbindung zwischen diesen Bauteilen aufrecht zu erhalten. Eine Verschiebung zwischen der optischen Faser und den Wellenleitern ergibt sich hauptsächlich aufgrund von Einflüssen der Umgebung, in welcher die integriert-optische Vorrichtung benutzt wird, und aufgrund der anisotropen thermischen Ausdehnungseigenschaften des Lithium-Niobat. Bei einem Kreiselsystem hat die integriert-optische Vorrichtung einen Freiheitsgrad, der eine starke Schockamplitude längs jener Achse übersteht, während alle drei Achsen Vibrationen ausgesetzt sind. Da die Lichtwellenlänge in vielen militärischen Anwendungen im Bereich von 850 Nanometer liegt, beträgt die maximal zulässige Verschiebung zwischen dem Kern des Wellenleiters gegenüber dem Kern der optischen Faser und umgekehrt nur 0,5 um. Jede Verschiebung außerhalb dieser engen Toleranz verursacht völlig unannehmbare Störungen des Ausgangssignals.
• Trotz dieser Hindernisse wurden verschiedene Versuche unternommen, eine umgebungsstabile Koppelvorrichtung für optische Fasern im 850 nm-Bereich zu schaffen. Einer dieser Versuche bestand in der Verwendung durch Ionenbestrahlung erzeugter Nuten im Lithium-Niobat, wodurch eine feste Lokalisierung einer chemisch geätzten und polierten optischen Faser ermöglicht wurde. Diese Methode hatte gegeneinander ausgerichtete Nuten, welche durch herkömmliche Fotolitografie festgelegt wurden und durch Ionenstrahlfräsen im gleichen Substrat hergestellt werden wie der Wellenleiter. Die Ankopplung der optischen Faser an den Wellenleiter wird durch Einsetzen und Festlegen eines geätzten Teils der optischen Fasern in der ionengefrästen Nut hergestellt. Somit tritt das aus der geätzten Faser austretende Licht unmittelbar in den Wellenleiter ein (vgl. A. C. G. Nutt und andere in "Optics Letters", Band 9, Heft 10, Seiten 463- 465, Oktober 1984). Obwohl dies eine gute Methode darstellt, hat sie doch mehrere Nachteile. Zum einen ist das Ionenätzen der Nuten im Wellenleiter sowie das Ätzen der optischen Faser langsam, teuer und zeitraubend, erfordert große Präzision und führte zu beträchtlichen Ausrichtungsproblemen zwischen dem Wellenleiter und der optischen Faser. Zweitens verringert das Ätzen der optischen Fasern deren Eigenschaft, die Polarisation aufrecht zu erhalten, in den Beanspruchungszonen der Fasern stark, wodurch die Verwendung doppeltbrechender optischer Fasern ausgeschlossen wird. Drittens wurde diese Methode nie tatsächlich über einen breiten Temperaturbereich angewandt oder in Verbindung mit Anschlüssen mit niedrigem Übertragungsverlust vorgesehen.
• Ein anderer Versuch, eine temperaturstabile Koppelvorrichtung zu schaffen, bestand in der Benutzung V-förmiger Nuten in Silizium. Die optischen Fasern wurden durch Einkleben von Einzelmodus-Fasern in V-förmige Nuten hergestellt, welche in einen Siliziumbaustein eingeätzt waren. Ein Siliziumdeckel wurde dann auf den die eingeätzten Nuten aufweisenden Siliziumbaustein ausgerichtet aufgesetzt, so daß die Kerne der optischen Fasern genau und im periodischen Abstand längs einer geraden Linie ausgerichtet waren. Nach diesem Zusammenbau des Siliziumbausteins wurden die Endflächen der optischen Fasern poliert, stumpf gegenüber einem Lithium-Niobat-Wellenleiter ausgerichtet und dann mit einem optischen Kleber befestigt (vgl. E. J. Murphy und andere in J. of Lightwave Tec., Band LT-3, Heft 4, Seiten 795-798, August 1985). Obwohl diese Methode die Montage optischer Mehrfachfasern mit einem Wellenleiter ermöglicht, hat sie ebenfalls Probleme. Zum einen erfordert der Siliziumbaustein mit V-Nuten eine sehr hohe Genauigkeit und Präzision beim Ätzen der V-Nuten, um eine ordentliche Ausrichtung der Kerne der optischen Faser gegenüber dem Kern des Wellenleiters zu ermöglichen. Zum zweiten hat ein Siliziumbaustein mit V-Nuten relativ große physikalische Abmessungen. Schließlich haben der Siliziumbaustein mit den V-Nuten und die integriert-optische Vorrichtung unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Somit existiert an der Schnittstelle von Silizium und Lithium-Niobat eine beträchtliche thermische Fehlanpassung, die zu thermischen Instabilitäten führen kann, welche die Klebeverbindung zwischen der optischen Faser und dem Wellenleiter zerstören.
• An dieser Stelle ist zu bemerken, daß das zur Beschreibung der physikalischen Vektoreigenschaften des Lithium-Niobats verwendete Koordinatensystem weder hexagonal noch rhombohedral, sondern ein X-Y-Z-Cartesisches Koordinatensystem ist. Lithium-Niobat zeigt einen anisotropen thermischen Ausdehnungskoeffizienten längs der optischen oder C-Achse sowie isotrope thermische Ausdehnungskoeffizienten längs der anderen beiden Achsen. Ein längs der optischen Achse projizierter Lichtstrahl ist dem gleichen Brechungsindex ausgesetzt, unabhängig von der Polarisation des Lichts. Somit sagt man, daß sich längs dieser Achse ausbreitendes Licht symmetrisch ist. Somit kann man die optische Achse, die üblicherweise der Z-Achse zugeordnet wird, leicht bestimmen. Die Richtung der Z-Achse ist die gleiche, wie diejenige der optischen Achse. Wegen des piezoelektrischen Effekts führt eine Kompression der +Z-Fläche zu einer negativen Aufladung. Wie bereits oben in Bezug auf den Stand der Technik erläutert, hat Lithium-Niobat eine Atomstruktur, welche als eine herkömmliche hexagonale Einheitszelle beschrieben werden kann. Entsprechend der Standarddefinition einer hexagonalen Einheitszelle hat diese drei koplanare Achsen, genannt die aH-Achsen, welche um 120º gegeneinander versetzt sind und untereinander die gleiche Größe haben, sowie eine vierte Achse, genannt die C-Achse, oder im Fall vom Lithium-Niobat die optische Achse, die rechtwinklig auf den drei aH-Achsen steht. Die optische Achse von Lithium-Niobat liegt in den drei Symmetrie-Spiegelebenen, um die jede Ladungsverschiebung auf einer Seite der Ebene durch Abschiebung auf der anderen Seite gespiegelt wird. Diese drei Symmetrie-Spiegelebenen stehen rechtwinklig auf den aH-Achsen. Die X-Achse wird so gewählt, daß sie mit einer der aH-Achsen zusammenfällt. Da es sich um ein Cartesisches Rechtshand-Koordinatensystem handelt, liegt die Y-Achse in einer Spiegelsymmetrieebene. Die Richtung der Y-Achse wird in ähnlicher Weise bestimmt, wie dies für die Z-Achse beschrieben wurde. Das heißt, beim Zusammendrücken wird die Y-Fläche wegen des piezoelektrischen Effekts negativ aufgeladen. Die Richtung der X-Achse kann auf diese Weise jedoch nicht bestimmt werden, weil die X-Achse auf einer Spiegelebene senkrecht steht. Jede Ladungsverschiebung auf einer Seite der Ebene wird auf die gegenüberliegende Seite gespiegelt, so daß die X-Stirnflächen nicht aufgeladen werden.
• Typischerweise liefern die Hersteller von Lithium-Niobat-Kristallen Stücke in Form dünner Scheiben, die als X-Schnitt, Y-Schnitt bzw. Z-Schnitt bezeichnet werden, wenn die X-, Y- oder Z-Achse auf der breiten Fläche der Scheibe senkrecht steht. Vielfach wird ein zweiter Buchstabe der Scheibenorientierung hinzugefügt und zeigt die Richtung der Lichtausbreitung durch einen Wellenleiter innerhalb der Scheibe an. Folglich beschreibt eine Scheibe mit X-Schnitt und Y-Ausbreitung eine Vorrichtung, bei der die X-Achse senkrecht auf der großen Oberfläche steht und bei der die Y-Achse in der Richtung der Lichtausbreitung innerhalb des Wellenleiters liegt.
• In einem Aufsatz "Simple and practical technique for attaching single-mode fibres to lithium niobate waveguides", veröffentlicht in "Electronics letters", 8. November 1984, Seiten 974-976 beschreibt K. H. Cameron eine Verbindung einer Faser mit einem Wellenleiter, wo der Wellenleiter an der Oberfläche eines Substrats liegt, so daß beim Anbringen einer Einmoden-Faser die Hälfte des Faserendes über die Oberfläche des Wellenleitermaterials hinausragt. Da nur die Hälfte der Faserendfläche am Wellenleitermaterial befestigt ist, führt diese Verbindung wegen der begrenzten Befestigungsfläche zu einer schwachen Halterung. Zur Verbesserung solcher Anschlüsse schlägt der Aufsatz das Aufsetzen eines kleinen Blocks aus Lithium-Niobat auf die Oberfläche des Substrats am Ende des Wellenleiters vor. Der Block wird so ausgerichtet, daß seine polierte Oberfläche gegenüber dem polierten Ende des Wellenleiters ausgerichtet ist, und er wird dann in dieser Position am Substrat befestigt. Die Verbindung wird dann zwischen der Faser und der kombinierten Block/Substrat-Struktur hergestellt. Die Hälfte des Faserendes überlappt das Ende des Wellenleitersubstrats, während die andere Hälfte der Faser die Fläche des eingefügten Blocks überlappt. Sowohl der Block als auch das Substrat bestehen aus Lithium-Niobat.
• DE-A 22 37 444 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden optischer Komponenten, insbesondere optischer Fasern und Halbleiterlaser oder Fotodioden durch Ankleben. Die Faser wird an einem ersten Träger befestigt und der Laser oder die Diode an einem zweiten Träger. Beide Träger werden gegeneinander so ausgerichtet, daß die Faser gegenüber dem Laser oder der Diode ausgerichtet ist. Danach werden beide Träger miteinander verklebt. Schließlich wird ein verbleibender Spalt zwischen dem Faserende auf der einen Seite und dem Laser oder der Fotodiode auf der anderen Seite mit einem geeigneten transparenten Klebemittel ausgefüllt. DE-A 22 37 444 befaßt sich nicht mit dem Problem der thermischen Ausdehnung der Substrate und der Fasern und erst recht nicht mit der anisotropen thermischen Ausdehnung.
Offenbarung der Erfindung
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine wirksame Kopplungsvorrichtung zwischen einer Lithium-Niobat-Vorrichtung und optischen Fasern zu schaffen, die über einen Temperaturbereich von -40ºC bis +80ºC stabil ist. Desweiteren soll mit der Erfindung eine wirksame Verbindungseinrichtung zwischen einer Lithium- Niobat-Vorrichtung und optischen Fasern geschaffen werden, die stärker schockresistent ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Verbindungsvorrichtung zwischen Lithium-Niobat-Einrichtungen und optischen Fasern zu schaffen, welche vibrationsfest ist.
• Die neue integriert-optische Vorrichtung gemäß der Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet, und ein neues Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit dem Lichteingang einer solchen integriert-optischen Vorrichtung ist in Anspruch 6 gekennzeichnet. Bevorzugte Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Gemäß der Erfindung stellt ein Faserträger eine wirksame Kopplungseinrichtung zwischen einer bestimmten Schnittfläche einer optischen Faser und einem Lichtein-/ausgang in einer Befestigungsfläche eines integriert-optischen Bausteins her. Der Faserträger und der integriert-optische Baustein haben eine anisotrope thermische Ausdehnungseigenschaft längs derselben bekannten optischen Achse. Die anisotrope thermische Ausdehnungeigenschaft von Faserträger und integriert-optischem Baustein ist praktisch gleich groß. Der Faserträger wird gegenüber dem integriert-optischen Baustein so positioniert, daß die optische Achse des Trägers parallel zur optischen Achse des Bausteins verläuft und daß eine Hilfsfläche des Trägers parallel zur Befestigungsfläche des Bausteins liegt. Die optische Faser wird dann am Faserträger derart befestigt, daß die Ebene der Stirnschnittfläche der optischen Faser in der Ebene der Hilfsfläche des Faserträgers liegt. Diese Hilfsfläche der Faserträgers wird schließlich an der Befestigungsfläche des integriert-optischen Bausteins derart befestigt, daß die Stirnschnittfläche der optischen Faser dem Lichtein-/ausgang in der Befestigungsfläche des integriert-optischen Bausteins genau gegenüberliegt.
• Ferner wird gemäß der Erfindung die Befestigungsfläche des Faserträgers gegenüber der Befestigungsfläche des integriert-optischen Bausteins derart ausgerichtet, daß die optische Achse des Faserträgers die einzige der drei orthogonalen Achsen ist, welche parallel zur einer der drei orthogonalen Achsen des integriert-optischen Bausteins verläuft. Beispielsweise können die Hilfsfläche des Faserträgers und die Befestigungsfläche des I/O-Bausteins unter einem von 90º verschiedenen Winkel gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Lichts geschnitten sein, um die Rückwärtsreflexion von Licht sowie jegliche Fabry-Perot- Interferrometereffekte an der Schnittfläche zwischen optischer Faser und Wellenleiter zu vermeiden. Der im Faserträger durch Spaltung gebildete Winkel weicht üblicherweise von dem in dem I/O-Baustein erzeugten Winkel ab. Bei bestimmten Anwendungen kann jedoch der Winkel im Faserträger und derjenige im I/O-Baustein übereinstimmen.
• Die vorliegende Erfindung stellt aus mehreren prinzipiellen Gründen einen Fortschritt gegenüber herkömmlichen Einrichtungen dar, mit denen man versucht hat, optische Fasern an Lithium-Niobat-Einrichtungen anzukoppeln. Zum einen sind der integriert-optische Baustein und der Faserträger beide aus Lithium- Niobat oder anderen praktisch ähnlichen Werkstoffen hergestellt, wodurch die thermische Fehlanpassung sowie auf beide einwirkende Spannungen verringert werden, weil nun beide praktisch den gleichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten haben. Zum zweiten hat sich die Erfindung als erfolgreich für optische Einmoden-Fasern bei 850 nm Wellenlänge erwiesen. Entsprechend den letzten Testergebnissen haben optische Fasern mit einer geradlinig geschnittenen Stirnfläche einen Gesamt-Übertragsverlust von etwa -1 dB. Dieser Verlust von -1 dB ergibt sich hauptsächlich aus dem Fabry-Perot- Effekt bei höheren Temperaturbereichen und würde nicht auftreten, wenn die Befestigungsfläche des Substrats und die Hilfsfläche des Trägers unter einem von 90º verschiedenen Winkel geschnitten sind. Drittens ist abweichend von bekannten Koppelvorrichtungen die vorliegende Erfindung einfach herstellbar, weil sie keine kritischen Toleranzen oder spezielle Herstellungstechniken erfordert. Folglich können zahlreiche Lithium-Niobat-Faserträger leicht, billig und schnell aus einer einzelnen Lithium-Niobat-Scheibe mit Hilfe einer Schneidvorrichtung hergestellt werden. Zum vierten ermöglicht die vorliegende Erfindung die aktive Ausrichtung und Wiederausrichtung des Kerns der optischen Faser gegenüber dem Ein/Ausgang des Wellenleiters, indem man Licht durch den Kern der Faser und die Schnittstelle zum Wellenleiter schickt und dann von Hand den Faserkern so ausrichtet, daß sich ein maximaler Lichtdurchsatz ergibt. Diese aktive Ausrichtung ist ganz anders als im Stand der Technik, wo man sich auf spezielle Herstellungstechniken (z.B. Ätzen und Fräsen) mit kritischen und engen Toleranzen verlassen mußte, um eine Ausrichtung zwischen Faserkern und Wellenleiter-Ein/Ausgang zu erzielen. Fünftens ist der Faserträger gemäß der Erfindung eine Komponente mit sehr geringer Masse und ist deshalb unempfindlicher gegen Schock und Vibration als im Stand der Technik. Schließlich kann die Erfindung mit polaritätserhaltenden Fasern eingesetzt werden, weil nichts mit der Beschichtung der optischen Faser geschieht, wodurch die Spannungszonen oder der elliptische innere Kern dieser polaristionserhaltenden Fasern beeinträchtigt würde.
• Es ist zu bemerken, daß, obwohl die Erfindung mit Begriffen beschrieben wurde, welche sich eng an im Stand der Technik definierte Kristallachsen anlehnen, auch andere Arten möglich sind. Die Erfindung will keineswegs durch die hier gewählten Begriffe beschränkt werden. Ferner ist es im Stand der Technik üblich, I/O-Bausteinsubstrate zu liefern, welche längs entsprechend der konventionellen Bezeichnungsweise gewählten Achsen geschnitten sind. Solche I/O-Bausteine könnten jedoch auch längs Achsen geschnitten sein, die durch andere Kennzeichnungssysteme bestimmt werden. Wie man sieht, können viele unterschiedliche Formen und Größen von I/O-Bausteinen gemäß der Erfindung benutzt werden. Es ist auch ersichtlich, daß die Orientierung der Kristallstruktur des I/O-Bausteins gegenüber seiner äußeren Gestalt von geringer Bedeutung ist, um die vorliegende Erfindung zu realisieren. Jede Variation in der Gestalt des I/O- Bausteins kann leicht durch eine entsprechende Herstellung der Faserträger angewandt werden, wenn beide die gleiche achsiale Ausrichtung ihrer Atomstruktur aufweisen und aneinander angepaßt sind.
• Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher im Lichte der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie es in den Zeichnungen wiedergegeben ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit mehreren an einem I/O-Baustein befestigten Faserträgern;
• Figur 2A zeigt die Draufsicht auf einen dem Faserträger 34 von Figur 1 ähnlichen Faserträger, der jedoch zur Ausschaltung von Rückreflexionen modifiziert ist;
• Figur 2B ist eine seitliche Ansicht eines dem Faserträger 34 von Figur 1 ähnlichen, zur Beseitigung von Rückreflexionen modifizierten Faserträgers; und
• Figur 3 zeigt die Draufsicht auf mehrere an einem I/O-Baustein befestigten Faserträger gemäß der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
• Die nicht maßstabsgerecht wiedergegebene Darstellung von Figur 1 zeigt die Anbringung mehrerer Faserträger an einen I/O-Baustein gemäß der Erfindung. Der Baustein 12 ist an einem Substrat 14 festgeklebt. Zur Illustrierung ist ein I/O- Baustein dargestellt, der einen einfachen Y-förmigen optischen Wellenleiter in LiNbO&sub3; aufweist. Der Baustein besteht aus einem in einer Kristallfläche 18 gebildeten Wellenleiter 16, welcher sich im Abstand der Kristalldicke t von einer nicht dargestellten Paßfläche erstreckt und zwei Vorrichtungshalteflächen 22 und 24 mit den Lichtein-/ausgängen des Wellenleiters 16 aufweist. Der Wellenleiter kann in bekannter Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Protonenaustausch oder Titan-Diffusion. Die Kristalltragfläche ist dann längs einer Kante 26 an einer Haltefläche 28 des Substrats 14 befestigt. Für das Substrat 14 wird ein Werkstoff gewählt, der die gleichen oder praktisch ähnlichen anisotropen thermischen Ausdehnungseigenschaften hat und mit den übereinstimmenden oder ähnlichen Achsen des I/O-Bausteins 12 ausgerichtet ist.
• Dieser Baustein 12 hat eine Kristalldicke t von etwa 1,0 mm, wobei Länge und Breite für die bestimmte Anwendung ausgewählt sind. Der dargestellte I/O- Baustein 12 ist ein X-Schnitt mit Y-Lichtrichtung. Dies bedeutet, daß die X-Achse 30 des Bausteins in einem Cartesischen Koordinatensystem 32 senkrecht auf der Schnittfläche 18 des Kristalls steht. Nach der gleichen Konvention ist die Richtung, in der sich der Wellenleiter erstreckt, als Achsparallele im Cartesischen Koordinatensystem bezeichnet. Der Baustein mit der Bezeichnung Y-Lichtrichtung bedeutet, daß die Y-Achse parallel zum Wellenleiter verläuft.
• Der Werkstoff des Faserträgers ist derart gewählt, daß er die gleichen oder praktisch die gleichen anisotropen thermischen Ausdehnungseigenschaften längs der gleichen optischen Achse hat wie der I/O-Baustein. Nach Auswahl des Faserträgermaterials nimmt man eine Scheibe mit praktisch gleichen anisotropen und isotropen thermischen Ausdehnungseigenschaften in der entsprechenden Achse desselben Koordinatensystems wie diejenigen des I/O-Bausteins. Wird beispielsweise für den I/O-Baustein ein Z-Schnitt und Y-Ausbreitungsrichtung verwendet, dann hat die Scheibe für den Faserträger die gleichen Eigenschaften Z-Schnitt und Y-Ausbreitungsrichtung. Eine Befestigungsfläche der Scheibe wird dann fest an einer Glasplatte befestigt, und die Baugruppe aus Scheibe und Glasplatte wird auf einer Schneidvorrichtung derart plaziert, daß die Scheibenoberfläche der als Hauptfläche bezeichneten Befestigungsfläche gegenüberliegt und der Schneidvorrichtung ausgesetzt ist. Ein Spaltschnitt, welcher die letztliche Anpassung der optischen Faser an den Faserträger ermöglicht, wird längs einer geraden Linie entlang der Hauptfläche der Scheibe gesetzt. Zahlreiche Spaltschnitte werden dann in gleichmäßigen Abständen längs der Hauptfläche der Scheibe durchgeführt. Der Abstand zwischen diesen Schnitten auf der Scheibe hängt von der Größe und der Gestalt des gewählten Faserträgers ab, während die Form und Tiefe der Einschnitte dem Radius der optischen Fasern entspricht. Die Klinge der Schneidvorrichtung wird dann üblicherweise durch eine dickere Ausführungsform ersetzt. Trennschnitte, welche die einzelnen Faserträger unterteilen und voneinander abschneiden, werden dann sowohl horizontal als auch vertikal in regelmäßigen Abschnitten gesetzt. Die Größe der Abstände zwischen den Trennschnitten hängt von der Größe und der Gestalt des gewählten Faserträgers ab, während die Tiefe dieser Trennschnitte bis in die Glasplatte, aber nicht durch diese hindurchgeht. Schließlich wird die Verklebung zwischen der geschnittenen Scheibe und der Glasplatte entfernt, indem man Wärme oder ein Lösungsmittel verwendet, so daß die neu geprägten Faserträger übrigbleiben.
• Bei der Ausführungsform nach Figur 1 ist jeder der Faserträger 34, 36 und 38 ein X-Schnitt mit Y-Ausbreitungsrichtung, wie dies in Figur 1 durch die X-Achse 52 dargestellt ist, welche eine ausgewählte Kristallachse ist und parallel zur X-Achse 30 des I/O-Bausteins 20 verläuft. Optische Fasern 40, 42 bzw. 44 werden dann an einem Ende abgeschnitten, um eine Ebene bestimmter Schnittfläche zu bilden. Danach werden die optischen Fasern 40, 42 bzw. 44 in die geätzten Nuten eines jeden der Faserträger 34, 36 und 38 derart eingeklebt, daß die Ebenen der Stirnschnittflächen der optischen Fasern in der Ebene der Trägerhilfsflächen 46, 48 bzw. 50 liegen. Der Kleber zwischen der optischen Faser und dem Faserträger kann beispielsweise ein handelsüblicher optischer Klebstoff sein, wie er unter dem Warenzeichen Norland 61 oder Norland 81 angeboten wird. Nach dem Ankleben der optischen Faser an den Faserträger werden die Faserträger 34, 36 und 38 an den Befestigungsflächen 22 bzw. 24 derart befestigt, daß die Stirnschnittflächen der optischen Fasern den Ein-/Ausgängen der Wellenleiter gegenüberstehen. Die Hilfsflächen 46, 48 und 50 des Trägers sind beispielsweise mit einer dünnen Schicht UV-empfindlichen optischen Klebers auf ihrer Oberfläche versehen, welche dann mit den Wellenleiter-Ein/Ausgängen in den Befestigungsflächen 22 und 24 in Kontakt gebracht werden. Die Ausrichtung kann durch herkömmliche Vorrichtungen erfolgen. Statt dessen kann man ein Lichtsignal bekannter Intensität und Leistung in den Wellenleiter schicken, der mit der optischen Faser in Kontakt ist, während ein Detektor am anderen Wellenleiter die Ausgangsintensität oder -leistung mißt. Der Faserträger kann dann solange verschoben werden, bis die maximale Ausgangsintensität erreicht ist. Zu dieser Zeit wird durch UV-Licht auf die Hilfsfläche des Trägers geworfen, wodurch diese mit der Befestigungsfläche verklebt wird, welche den Faserträger am I/O-Baustein hält.
• Die Figuren 2A und 2B sind Draufsicht und seitliche Ansicht eines Trägers 34a, ähnlich dem Träger 34 in Figur 1. Der Unterschied besteht darin, daß die Hilfsfläche des Trägers sowie die Befestigungsfläche des Bausteins unter einem Winkel gegenüber den horizontalen Abschnitten und dann poliert sind, um eine Rückreflexion von Licht an der Schnittstelle zwischen optischer Faser und Wellenleiter zu vermeiden. In der Draufsicht von Figur 2A sind der Faserträger 34a und die optische Faser 40a unter einem Winkel Θ abgeschnitten. Für die Hilfsfläche des Faserträgers läßt sich ein entsprechender Winkel zur Minimierung des in die optische Faser zurückreflektierten Lichts finden. Durch wiederholte Versuche liegt dieser bei etwa 10º längs der Hilfsfläche. Die Seitenansicht des Faserträgers 34a in Figur 2B zeigt deutlich eine Hilfsfläche 46a des Trägers und die Schnittflächen 56 der Faser.
• Figur 3 ist eine Draufsicht auf einen I/O-Baustein 12a mit zwei Befestigungsflächen 22a und 24a sowie einem Wellenleiter 16a, der in einer Kristalloberfläche 18a gebildet ist. Die Faserträger 34a, 36a und 38a werden hergestellt, und die optischen Fasern 40a, 42a und 44a werden an der Haltefläche des betreffenden Faserträgers ausgerichtet und befestigt, wie dies zuvor beschrieben wurde. Die Hilfsflächen der Faserträger sind so geschnitten und poliert, daß der zuvor erwähnte Winkel von 10º entsteht. In Figur 3 sind die Befestigungsflächen 22a und 24a des I/O-Bausteins so geschliffen und poliert, daß die Winkel β&sub1; und β&sub2; von etwa 15º entstehen und hierdurch die Rückreflexion von Licht in den Wellenleiter auf ein Minimum reduziert wird.
• An dieser Stelle sind einige wichtige Punkte zu bemerken. Erstens, obwohl ein Cartesisches Koordinatensystem zur Definition der Atomstruktur des I/O- Bausteins und des Faserträgers angewandt wurde, ist die vorliegende Erfindung hier in keiner Weise auf ein Cartesisches Koordinatensystem für die Bestimmung der Atomstruktur beschränkt. Die Verwendung eines rechtshändigen Cartesischen Koordinatensystems diente nur der Illustration, und der Fachmann kennt zahlreiche andere Konventionen für die Beschreibung der Kristallstruktur des Faserträgers und des I/O-Bausteins. Zweitens, obwohl eine rechtwinklige Struktur beschrieben wurde, sind der Faserträger und der I/O-Baustein nicht auf eine bestimmte Gestalt beschränkt. Der Fachmann wählt eine bestimmte Gestalt für den Faserträger und den I/O-Baustein in Abhängigkeit von den Beschränkungen und Anforderungen der speziellen Anwendung. Solange die optischen Achsen des I/O-Bausteins und des Faserträgers parallel zueinander verlaufen, sind die Gestalt des Faserträgers und die Orientierung ihrer Atomstrukturen, bezogen auf jene Gestalten, von der Erfindung unabhängig und folglich anwendungsbezogen. Schließlich ist trotz der Beschreibung des Werkstoffs als hexagonale Einzelheitszelle hierin keine Beschränkung auf hexagonale Einheitszellen zur Bestimmung der Kristallstruktur zu sehen. Die Benutzung der hexagonalen Einheitszelle dient nur der Veranschaulichung. Der Fachmann kennt zahlreiche andere Einheitszellen, um die Kristallstruktur des genannten Materials zu beschreiben. Beispielsweise können Lithium-Niobat und ähnliche Werkstoffe auch als eine rhombohedrale Einheitszelle oder als ein Mitglied einer Perovskitfamilie und speziell eines abgewandelten Perovskits beschrieben werden.

Claims (8)

1. Integriert-optische (I/O) Vorrichtung mit:

a) einem integriert-optischen (I/O) Baustein (12), welcher in einer Befestigungsfläche (22, 24) einen Lichtein-/ausgang aufweist, aus doppeltbrechendem Material mit einer optischen Bausteinachse besteht und anisotrope thermische Ausdehnungseigenschaften mit einem ersten Baustein-Temperaturkoeffizienten in Richtung der optischen Bausteinachse sowie einem zweiten Baustein- Temperaturkoeffizienten in einer Ebene senkrecht zur optischen Bausteinachse hat;

b) einer an einem Ende zwecks Bildung einer dem Lichtein-/ausgang gegenüberstehenden Stirnschnittfläche (56) abgeschnittenen optischen Faser (40, 42,44);

c) einem einen Endteil der Faser haltenden Faserträger (34, 36, 38) mit einer parallel zur Befestigungsfläche (22, 24) des I/O-Bausteins verlaufenden und an dieser befestigten Hilfsfläche (46, 48, 50); wobei

d) die optische Faser (40, 42, 44) derart am Faserträger (34, 36, 38) befestigt ist, daß die Stirnschnittfläche (56) der optischen Faser im wesentlichen in der Ebene der Faserträger-Hilfsfläche (46, 48, 50) liegt; und

e) die optische Faser (40, 42, 44) längs eines langgestreckten, der Stirnschnittfläche benachbarten Außenteils der Faser am Faserträger (34, 36, 38) befestigt ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

f) der Faserträger (34, 36, 38) aus einem Material mit einer ersten Achse und anisotropen thermischen Ausdehnungseigenschaften mit einem ersten Träger- Temperaturkoeffizienten in Richtung der ersten Trägerachse sowie einem zweiten Träger-Temperaturausdehnungskoeffizienten in einer Ebene senkrecht zur ersten Trägerachse besteht;

g) die erste Trägerachse sich parallel zur optischen Bausteinachse erstreckt; und

h) die ersten und zweiten Träger-Temperaturkoeffizienten in ihrer Größe im wesentlichen den ersten bzw. zweiten Baustein-Temperaturkoeffizienten ähnlich sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser 840, 42, 44) in einer geätzten Nut des Faserträgers (34, 36, 38) an diesem befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnschnittfläche (56) der optischen Faser sowie die Hilfsfläche (46, 48, 50) des Trägers in bezug auf die optische Achse der optischen Faser (40a, 42a, 44a) um einen vorgegebenen ersten Winkel (90-Θ) geneigt sind, welcher von 90º verschieden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsfläche (22, 24a) des I/O-Bausteins (12a) gegenüber seiner optischen Achse um einen zweiten Winkel (90&sup0;-β) geneigt ist, der von 90º verschieden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel etwa 80º und der zweite Winkel etwa 75º beträgt.

6. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser (40, 42, 44) mit einem in einer Befestigungsfläche (22, 24) eines integriert-optischen Bausteins (12) vorgesehenen Lichtein-/ausgang, wobei der Baustein aus doppeltbrechendem Material mit einer optischen Achse besteht und anisotrope thermische Ausdehnungseigenschaften mit einem ersten Baustein-Temperaturkoeffizienten in Richtung der optischen Achse und einem zweiten Baustein-Temperaturkoeffizienten in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Positionieren eines Faserträgers (34, 36, 38) derart, daß eine Hilfsfläche (46, 48, 50) des Trägers sich parallel zur Befestigungsfläche (22, 24) erstreckt;

b) Bereitstellung einer an ihrem einen Ende zwecks Bildung einer Stirnschnittfläche (56) abgeschnittenen optischen Faser (40, 42, 44) und Ankleben eines langgestreckten, der Stirnschnittfläche benachbarten Außenteils der Faser derart am Faserträger (34, 36, 38), daß die Ebene der Schnittfläche (56) im wesentlichen in der Ebene der Hilfsfläche (46, 48, 50) liegt;

c) Plazierung der Stirnschnittfläche (56) gegenüber dem Lichtein-/ausgang; und

d) Ankleben der Trägerhilfsfläche (46, 48, 50) an die Baustein-Befestigungsfläche (22,24);

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner umfäßt:

e) Auswahl eines Materials fiir den Faserträger (34, 36, 38), welches eine erste Achse und anisotrope thermische Ausdehnungseigenschaften mit einem ersten Träger- Temperaturkoeffizienten in Richtung seiner ersten Achse sowie einem zweiten Träger-Temperaturkoeffizienten in einer Ebene senkrecht zur ersten Achse hat; sowie

f) Auswahl des Trägermaterials derart, daß seine ersten und zweiten Träger- Temperaturkoeffizienten in ihrer Größe im wesentlichen den ersten bzw. zweiten Baustein-Trägerkoeffizienten ähnlich sind; und

g) als Teil des Positionierungsschrittes den Schritt einer Ausrichtung der ersten Trägerachse parallel zur optischen Bausteinachse.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Plazierungsschritt ferner folgende Schritte umfaßt:

a) Übertragung eines Lichtsignals über die Schnittstelle zwischen der optischen Faser (40, 42, 44) und dem Lichtein-/ausgang;

b) Messen der Stärke des Lichtsignals nach der Übertragung über die Schnittstelle; und

c) Ausrichten der optischen Faser gegenüber dem Lichtein-/ausgang zwecks Maximierung der Amplitude des übertragenen Lichtsignals.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Anklebens ein UV-Verschweißen der Trägerhilfsfläche (46, 48, 50) mit der Baustein-Befestigungsfläche (22, 24) umfaßt, sobald die Amplitude des übertragenen Lichtsignals ihren Maximalwert erreicht hat.