-
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein optische
Wellenleitereinrichtungen.
-
Es ist bekannt, daß optische Vorrichtungen, wie z.B.
Modulatoren, Richtkoppler, Polarisationseinrichtungen usw.,
in einer gemeinsamen Schicht aus einem optischen Material,
das hier als Substrat bezeichnet wird, integriert werden
können. Eine geeignete Schicht eines optischen Materials
weist bei einer gewünschten optischen Wellenlänge
normalerweise eine Übertragungsdämpfung von weniger als
10 dB pro cm (dB/cm) auf. Die Dämpfung ist typischerweise
geringer als einige Zehntel dB pro cm. Bei einer Integration
elektrooptischer Vorrichtungen, wie z.B. von Modulatoren,
wird das Material üblicherweise so gewählt, daß es
elektrooptische Eigenschaften aufweist. Zu diesem Zweck wird
überlicherweise, z.B. Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) verwendet. Da,
wo keine elektrooptischen Eigenschaften erforderlich sind,
können auch andere Materialien, einschließlich Glas,
verwendet werden. Bei jeder optischen Vorrichtung werden
sowohl für die Herstellung als auch für die Verbindung der
optischen Bauelemente auf einem gemeinsamen Substrat
integrierte optische Wellenleiter verwendet. Für die Bildung
eines optischen Wellenleiters in einem Substrat läßt man
unter Verwendung eines üblichen Verfahrens an den Stellen in
dem Substrat, an denen ein Wellenleiter entstehen soll,
selektiv Titan in das Substrat diffundieren. Diese
Wellenleiter weisen entlang gerader Abschnitte des
Wellenleiters typischerweise eine sehr geringe
Übertragungsdämpfung (typischerweise einige Zehntel dB/cm)
auf. Bei einer Veränderung in der Richtung des Wellenleiters
(eine Biegung oder Krümmung) nimmt die Dämpfung jedoch in
Abhängigkeit von dem Krümmungsradius deutlich zu. Diese
Dämpfungen werden in dem Artikel "Improved Relations
Describing Directional Control in Electromagnetic Wave
Guidance" von Marcatili und Miller (Bell System Technical
Journal, Band 48, Nr. 7, Seiten 2161-2188, September 1969)
diskutiert. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die
Dämpfung durch zwei Mechanismen entsteht: Eine
Strahlungsdämpfung, die durch die Energieverteilung (Gauss-
Verteilung) des Lichtes in dem Wellenleiter hervorgerufen
wird, die in einem Bereich außerhalb des Wellenleiters, der
für die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle geeignet
ist, ungleich Null ist und eine Dämpfung infolge einer
Modenumwandlung des Lichtes, dessen Moden bei einer
Richtungsänderung mit verlustbehafteten Moden höherer
Ordnung gekoppelt werden. Durch diese Dämpfung wird der
Krümmungsradius eines integrierten, gekrümmten optischen
Wellenleiters bei einem vorgegebenen Dämpfungsmaß begrenzt,
so daß optische Bauelemente und ihre Verbindungen auf dem
Substrat physisch groß ausgebildet sein müssen. Hierdurch
wird die Anzahl der Bauelemente, die bei einer vorgegebenen
Substratgröße auf dem Substrat gebildet werden können,
begrenzt. Ein Verfahren, das zur Verringerung der
Krümmungsdämpfung verwendet werden kann, wird in dem Artikel
"Dielectric Optical Waveguide Tilts With Reduced Losses" von
E.G.: Neumann offenbart, der in den Proceedings of the
Seventh European Conference on Optical Communication (Seiten
9.3-1 bis 9.3-4, 8.-11. September 1981) veröffentlicht
wurde. Bei diesem Verfahren wird der Brechungsindex in dem
Teil des Substrates, der eine Kurve (Neigung) eines in dem
Substrat gebildeten Wellenleiters umgibt, so verändert, daß
die sich in dem Wellenleiter ausbreitende Energie um die
Krümmung gebrochen wird. Wie in Fig. 1d dargestellt ist,
wird der Brechungsindex des in Kontakt mit der Außenseite
einer Wellenleiterkrümmung stehenden Substrates so
modifiziert, daß er geringer ist als der Brechungsindex des
restlichen Substrates, so daß die Ausbreitung von Energie
außerhalb des Wellenleiters beschleunigt wird. Ein anderes
Verfahren zur Verringerung der Krümmungsdämpfung wird in dem
Artikel "Greatly Reduced Losses for Small-Radius Bends in
Ti:LiNbO&sub3; Waveguide" von S.K. Korotky et al. offenbart, der
in den Proceedings for the Third European Conference on
Integrated Optics (Seiten 207-209, 6.-8. Mai 1985)
veröffentlicht wurde. Bei diesem Verfahren, das als Crowning
bezeichnet und bei gekrümmten Wellenleitern in einem
Substrat angewendet wird, wird der Brechungsindex innerhalb
des Wellenleiters durch mehrere dielektrische Prismen
verändert, um die Ausbreitungsrichtung des Lichtes örtlich
zu beeinflussen. Für die Bildung der Prismen ist jedoch ein
extra Diffusionsschritt erforderlich. Zudem erhöhen sich die
Streuverluste durch das Einbringen von Teilen (Prismen) in
den Wellenleiter. Das Verfahren ist zudem
wellenlängenabhängig.
-
Für eine praktische Anwendung müssen die optischen
Bauelemente auf dem gemeinsamen Substrat mit der "Außenwelt"
gekoppelt werden. Bei üblichen Verfahren werden
Lichtleitfasern verwendet, um die optische Energie, die zu
den integrierten optischen Bauelementen fließt bzw. von
diesen kommt, anzukoppeln. Durch eine Lichtleitfaser wird
beispielsweise aus einem externen Laser stammendes Licht an
das Substrat angekoppelt, in dem es von einem in dem
Substrat gebildeten Modulator moduliert wird, um
anschließend von einer zweiten Lichtleitfaser an einen
entfernten optischen Empfänger angekoppelt zu werden. Bei
integrierten optischen Wellenleitern, aus denen der
beispielhafte Modulator gebildet ist, weist die Mode der
sich ausbreitenden optischen Energie typischerweise eine
ovalförmige Gestalt auf. Die Mode der sich in der
Lichtleitfaser ausbreitenden optischen Energie ist jedoch
typischerweise kreisförmig. Da die Moden bei den
verschiedenen Arten von Wellenleitern (integrierte optische
Wellenleiter und Lichtleitfasern) an der Grenzfläche
zwischen den zwei Wellenleitern im wesentlichen nicht
übereinstimmen, findet zwischen den Wellenleitern keine
vollständige Übertragung der optischen Energie statt. Diese,
auf einer Modenfehlanpassung beruhende Ineffizienz bei der
Übertragung optischer Energie zwischen einer Lichtleitfaser
und einem integrierten optischen Wellenleiter wird durch die
Kopplungsdämpfung oder durch die Kopplungsverluste erfaßt.
E.G. Neumann offenbart in "Dielectric Optical Waveguide
Tilts with Reduced Losses" (European Conference on Optical
Communication, Electromagnetic Institute, Technical
University of Denmark) eine Wellenleiteranordnung mit einem
in einer Schicht eines optischen Materials gebildeten
Wellenleiter, der zum Ankoppeln der optischen Energie an
einen externen Wellenleiter unter einem bestimmten Winkel
verwendet wird, so daß die Kopplungsverluste verringert
werden.
-
Erfindungsgemäß wird eine Wellenleitereinrichtung gemäß
Anspruch 1 geschaffen.
-
Es wurde eine Einrichtung zur Verringerung der
Kopplungsverluste zwischen einem integrierten optischen
Wellenleiter und einer externen Lichtleitfaser erfunden. Der
in einem Substrat angeordnete integrierte optische
Wellenleiter weist hierbei zumindest eine Nut oder Furche
auf, die auf einer Seite des optischen Wellenleiters in
Längsrichtung angeordnet ist, um die Mode der sich in dem
Wellenleiter ausbreitenden optischen Energie so eingrenzen,
daß sie annähernd der Mode in dem externen optischen
Wellenleiter entspricht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Fig. 1 zeigt eine Einrichtung, um die Dämpfung der optischen
Energie an Krümmungen in einem integrierten optischen
Wellenleiter zu verringern.
-
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Verteilung der
optischen Energie (Mode) in einem in einem Substrat
gebildeten, gekrümmten optischen Wellenleiter und der
Einfluß einer sich benachbart zu dem Wellenleiter
befindenden Nut oder Furche auf die Verteilung
dargestellt ist.
-
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Wellenleiters gemäß Fig.
1.
-
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,
mit der sich die Kopplungsverluste zwischen einem
integrierten optischen Wellenleiter und einem
externen optischen Wellenleiter, wie z.B. einer
Lichtleitfaser, verringern lassen.
Ausführliche Beschreibung
-
Fig. 1 zeigt einen S-förmigen optischen Wellenleiter 11 in
einem Substrat 10, anhand dessen die Verringerung der
Krümmungsdämpfung veranschaulicht wird. Der Ausdruck
"Wellenleiter" bezeichnet hierbei einen selektiv
ausgebildeten Bereich eines optischen Materials, in dem sich
optische Energie ausbreiten kann. Der Wellenleiter weist bei
einer gewünschten optischen Wellenlänge eine
Übertragungsdämpfung von weniger als 10 dB pro cm (dB/cm)
auf. Die Form des Wellenleiters 11 dient hierbei als
Vergleichsparameter beim Vergleich verschiedener Verfahren
zur Verringerung der Krümmungsdämpfung; das vorliegende
Verfahren zur Verringerung der Krümmungsdämpfung kann bei
beliebigen Krümmungsformen eines Wellenleiters verwendet
werden. Der Wellenleiter 11 ist in dem Substrat 10 so
ausgebildet, daß die Kurve, die er beschreibt, durch die
Gleichung
-
Y(X) =HX/L-H[sin(2Xπ/L)]/2π
-
gegeben ist, wobei H die Übergangshöhe ist und L die
Übergangslänge, während die X- und Y-Richtung durch die
Achse 12 festgelegt sind. Der Wellenleiter 11 kann durch
eine Reihe von Verfahren in oder auf dem Substrat gebildet
werden. Bei einem beispielhaften Verfahren läßt man Titan
(oder Nickel oder Vanadium) in ein Einkristall aus
Lithiumniobat (Ti:LiNbO&sub3;), bei dem es sich um ein
doppelbrechendes elektrooptisches Material handelt, selektiv
eindiffundieren und erhöht unter Verwendung eines
photolithographischen Verfahrens selektiv den Brechungsindex
in dem Substrat.
-
Es sei jedoch bemerkt, daß auch andere Verfahren zur Bildung
optischer Wellenleiter und auch andere Substrate verwendet
werden können. Beispielhafte andere Substrate mit
elektrooptischen Eigenschaften umfassen
Strontiumbariumniobat (Sr0.64Ba0.36Nb&sub2;&sub0;&sub6;) und Lithiumtantalat
(LiTaO&sub3;). Wenn keine elektrooptischen Eigenschaften
erforderlich sind, können auch andere Substrate,
einschließlich Glas, verwendet werden. Die optische Energie
breitet sich in dem Wellenleiter 11 in der durch den Pfeil
14 angedeuteten Richtung aus. Es sei jedoch bemerkt, daß die
Ausbreitungsrichtung der optischen Energie lediglich zur
Veranschaulichung dient, und daß die Ausbreitung, alternativ
hierzu, auch in entgegengesetzter Richtung erfolgen kann.
Durch zwei Begrenzungseinrichtungen, wie z.B. die Nuten oder
Furchen 16, die entlang der Außenfläche des S-förmigen
Wellenleiters 11 gebildet sind, wird die Dämpfung infolge
einer Ausstrahlung an den Krümmungen des Wellenleiters 11
verringert. Es sei bemerkt, daß die Tiefe der Nuten 16 in
dem Substrat nur so tief sein müssen, wie die Tiefe des
optischen Energiefeldes, das außerhalb des Wellenleiters 11
begrenzt werden soll. In der Praxis sind die Nuten 16 jedoch
typischerweise tiefer als der Wellenleiter 11. Die Nuten 16
können mittels eines Laserätzverfahrens, wie es in dem
amerikanischen Patent 4,598,039 mit dem Titel "Formation of
Features in Optical Material" offenbart wird, gebildet
werden. Das am 1. Juli 1986 ausgegebene Patent wurde auf die
AT&T Bell Laboratories übertragen. Es sei bemerkt, daß auch
andere Nutenbildungsverfahren, einschließlich des reaktiven
Ionenätzens, zur Bildung der Nuten 16 verwendet werden
können.
-
Fig. 2 dient zur Veranschaulichung der Dämpfungsmechanismen
für die Strahlung und des in Fig. 1 verwendeten Verfahrens
zur Verringerung der Krümmungsdämpfung. In einem Substrat 20
ist ein beispielhaft gekrümmter Wellenleiter 21 mit einem
Radius R ausgebildet, in dem sich in Richtung des Pfeils 22
optische Energie ausbreitet. Es sei bemerkt, daß die
dargestellte Richtung lediglich zur Veranschaulichung dient,
und daß die Ausbreitung, alternativ hierzu, auch in
entgegengesetzter Richtung erfolgen kann. Die Verteilung der
optischen Energie in dem Wellenleiter 21 ist durch die Kurve
24 dargestellt, die im wesentlichen einer Gauss-Verteilung
entspricht, bei der das transversale Feld außerhalb des
Wellenleiters 21 exponentiell abnimmt. Da sich die außerhalb
des Radiuses Xr ausbreitende optische Energie in Phase mit
der in dem Wellenleiter 21 ausbreitenden optischen Energie
befindet, muß diese Ausbreitung mit einer Geschwindigkeit
erfolgen, die höher ist als die Lichtgeschwindigkeit (die
Geschwindigkeit der sich in dem Wellenleiter ausbreitenden
optischen Energie liegt in der Nähe der
Lichtgeschwindigkeit), so daß die sich außerhalb des
Radiuses Xr befindende optische Energie, wie durch den
schraffierten Bereich 23 dargestellt ist, der Strahlung
verlorengeht. Hierdurch wird die Krümmungsdämpfung der sich
in dem Wellenleiter 21 ausbreitenden optischen Energie
erhöht. Die durch Ausstrahlungsverluste verloren gegangne
optische Energie breitet sich in dem Substrat 20 aus, in dem
sie dissipiert wird. Zur Verringerung dieser
Ausstrahlungsverluste ist benachbart zu dem Wellenleiter 21
entlang des Außendurchmessers eine Nut oder Furche 26
angeordnet, die typischerweise tiefer ist als das optische
Energiefeld außerhalb des Wellenleiters 21 in dem Substrat
20 und die einen kleineren Brechungsindex als das Substrat
20 aufweist. Durch dieses Verfahren wird die Verteilung der
optischen Energie außerhalb des Wellenleiters 21 begrenzt,
wie durch die Verteilungskurve 28 der optischen Energie
veranschaulicht wird, so daß sich die Krümmungsdämpfung
verringert. Der äußere Schwanz der Verteilungskurve 28 wird
im Vergleich zur Kurve 24 verkürzt, so daß die sich in dem
Bereich 23 befindende optische Energie auf den Wellenleiter
21 begrenzt wird und die Ausstrahlungsverluste des
gekrümmten Wellenleiters 21 wesentlich verringert werden.
Das Ausmaß, in dem die Austrahlungsverluste verringert
werden, wird durch die Anordnung der Nut 26 bestimmt. Je
weiter die Nut 26 über den Abstand Xr hinaus von dem
Wellenleiter entfernt angeordnet wird, um so mehr optische
Energie geht durch die Ausstrahlung verloren.
-
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind bei einer
Ausführungsform der Erfindung die Enden der Nuten oder
Furchen 16 von dem Wellenleiter 11 weg gebogen, so wie es
beispielsweise in dem Bereich 18 dargestellt ist. Durch
diese Biegung der Nut 16 wird der Einfluß von
Diskontinuitäten in der Verteilung 24 der optischen Energie
(Fig. 2) in der Nähe der Nut 16 verringert. Durch solche
Diskontinuitäten wird das Ausmaß der Krümmungsdämpfung
erhöht, da die optische Energie in dem Bereich 23 der
Verteilungskurve 24 (Fig. 2) bei einem Auftreffen der
optischen Energie auf die Nuten 26 (Fig. 2) gestreut wird.
Die Nut ist so gekrümmt, daß sie eine exponentiell geformt
ist; es können jedoch auch andere Krümmungsformen, wie z.B.
quadratische Formen, verwendet werden. Bei Anwendung des
oben beschriebenen Verfahrens auf einen gekrümmten,
integrierten optischen Wellenleiter 11, der durch die obige
Gleichung beschrieben wird und eine Länge von 1,64 mm
aufweist, läßt sich die Krümmungsdämpfung des Wellenleiters
von etwa 18,7 dB auf etwa 8,6 dB verringern, wenn die Enden
der Nuten 16 nicht von dem Wellenleiter 11 weggekrümmt sind
und sich in dem Wellenleiter optische Energie mit einer
transversalen magnetischen (TM) Mode von 1,3 um ausbreitet.
Die Nuten 16 sind hierbei etwa 1,5 bzw. 2 um von dem
Wellenleiter 11 entfernt angeordnet.
-
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Wellenleiter 11 und
die Nut 16 entlang der Linie 3-3 in Fig. 1. Die Nut 16 ist
hier benachbart zu dem Wellenleiter 11 in dem Substrat 10
dargestellt. Die Nut 16 ist tiefer als der Wellenleiter 11.
Das Ende der Nut 16 ist von dem Wellenleiter 11 weggekrümmt.
-
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Dargestellt sind zwei integrierte Wellenleiter am
Rand eines Substrats zusammen mit einer dreidimensionalen
Darstellung der Verteilung der optischen Energie (Moden) des
Wellenleiters. Die integrierten optischen Wellenleiter 30
und 32 sind mit externen optischen Wellenleitern, wie z.B.
den Lichtleitfasern 36 und 37 (die hier jeweils als Kern
ohne Mantel dargestellt sind), gekoppelt, um optische
Energie von den Lichtleitfasern 36 und 37 an die (nicht
dargestellten) optischen Bauelemente auf dem Subtrat 35
anzukoppeln und umgekehrt. Die zwei Wellenleiter 30 und 32
wurden mittels der oben beschriebenen Materialien und
Verfahren in dem Substrat 35 gebildet. Infolge des zur
Bildung der Wellenleiter 30 und 32 in dem Substrat 35
verwendeten Diffusionsverfahren sind die entstehenden
Wellenleiter halbkreisförmig. Durch die halbkreisförmige
Ausbildung des Wellenleiters 30 weist die Mode 31 der
optischen Energie des Wellenleiters 30 eine ovale Form auf.
Da die Mode der optischen Energie in der externen
Lichtleitfaser 36 typischerweise kreisförmig ist, führt eine
Ankopplung optischer Energie zwischen dem integrierten
optischen Wellenleiter 30 und der Lichtleitfaser 36 infolge
der unterschiedlichen Modenformen zu Kopplungsverlusten. Bei
dem Wellenleiter 32, der die gleiche Form aufweist wie der
Wellenleiter 30, ist die Mode 33 der optischen Energie
jedoch kreisförmiger. Bei diesem Wellenleiter ist entlang
jeder Seite des Wellenleiters in einem vorbestimmten Abstand
eine Nut 34 angeordnet, so daß die Verteilung 33 der
optischen Energie in dem Wellenleiter 32 so eingegrenzt ist,
daß sie kreisförmiger ist. Die Mode 33 und die Mode in der
Lichtleitfaser sind sich somit ähnlicher, was zu geringeren
Kopplungsverlusten zwischen ihnen führt. Es sei bemerkt, daß
die Lichtleitfasern 36 und 37 keine kreisförmigen Moden
aufweisen müssen. Zudem können auch andere externe
Wellenleiter, wie z.B. integrierte optische Wellenleiter,
mit einer anderen Form und mit anderen Moden als die
Wellenleiter 30 und 32, mit diesen Wellenleitern gekoppelt
werden. Um die Energie zwischen dem Wellenleiter 32 und dem
externen Wellenleiter effizient übertragen zu können, sind
die Nuten 34 so angeordnet, daß die Mode 33 etwa auf die
Modenform in dem externen Wellenleiter eingegrenzt ist.
-
Die oben erwähnte Nut muß nicht mit Luft gefüllt sein. Die
Nut kann zumindest teilweise mit einem Feststoff gefüllt
sein, es ist jedoch wünschenswert, wenn der Brechungsindex
dieses Materials geringer ist als der Brechungsindex des
Substrats. Zudem ist es erwünscht, wenn die Nut in dem
Substrat zumindest genauso tief ist wie der Maximalwert des
optischen Energiefeldes, das außerhalb des zugehörigen
Wellenleiters begrenzt werden soll. Alternativ hierzu ist es
auch möglich, daß die Nut eine geringere Tiefe aufweist, was
jedoch zu einer entsprechenden Verschlechterung der
Funktionsweise führt. Die Tiefe der Nut beträgt
typischerweise zumindest 25% der Tiefe des zugehörigen
Wellenleiters, wobei sie üblicherweise tiefer ist als der
Wellenleiter.