DE4142922A1 - Bauelement zur verwendung bei der uebertragung optischer signale - Google Patents

Bauelement zur verwendung bei der uebertragung optischer signale

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Description

Die Erfindung geht aus von einem Bauelement nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Bei optischen Übertragungssystemen wird zur mehrfachen Ausnutzung einer Glasfaser unter anderem ein Frequenzmultiplexverfahren angewendet, bei welchem Licht verschiedener Wellenlänge bzw. Frequenz von einer Glasfaser geleitet wird. Frequenzmultiplexsysteme benötigen auf der Senderseite eine Vorrichtung, welche die verschiedenen Träger erzeugt und moduliert, und auf der Empfängerseite eine Vorrichtung, mit der die verschiedenen Kanäle getrennt und demoduliert werden. Die Verwirklichung geeigneter Vorrichtungen als integriert-optische Bauelemente ist an sich besonders kostengünstig, wenn eine Herstellbarkeit in Großserien möglich ist.
Bei einem solchen bekannten Bauelement (DE 35 06 569 A1) wird das mit vielen frequenzmäßig dicht beieinander liegenden Kanälen empfangene Licht über Koppelresonatoren verteilt und dann frequenzselektiv in die sogenannten Nutzresonatoren eingekoppelt, so daß in jedem Nutzresonator nur das Licht eines einzigen Übertragungskanals auftritt. Alle Resonatoren sind bei dieser bekannten Vorrichtung vom Fabry-Perot-Typ. Im räumlichen Bereich eines Nutzresonators befindet sich eine in Sperrichtung gepolte Fotodiode, welche bei geeigneter Wahl des Bandabstandes im Material des Nutzresonators zur Detektion des Kanals dient. Als Material werden Silizium- bzw. Silizium/Germanium-Legierungen vorgeschlagen, welche bei geeigneter Dimensionierung sowohl den Aufbau von Wellenleiterstrukturen als auch von Fotodioden ermöglichen.
Zur Herstellung dieser bekannten Anordnung wird eine komplexe Technologie zum epitaktischen Aufwachsen sehr dicker Schichten aus Silizium- bzw. Silizium/Germanium-Legierungen benötigt, da der Matrixresonator eine räumlich dreidimensionale Struktur hat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauelement zur Verwendung bei der Übertragung optischer Signale nach dem Frequenzmultiplexverfahren anzugeben, welches mit möglichst einfachen Technologien preiswert herstellbar ist.
Das erfindungsgemäße Bauelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs eignet sich sowohl als senderseitiger frequenzselektiver Modulator als auch als frequenzselektiver Empfänger und Demodulator. Mit einem einzigen Bauelement ist somit die Frequenzselektion und die Demodulation bzw. Modulation möglich.
Im Falle der Verwendung als Empfänger werden die Halbleiterdioden als opto-elektrische Wandler betrieben, wobei die von den Halbleiterdioden erzeugten Signale in an sich bekannter Weise verstärkt und weiterverarbeitet werden. Bei einem Betrieb des erfindungsgemäßen Bauelements als Modulator werden die Modulationssignale den Halbleiterdioden im Durchlaßbereich zugeführt, so daß die Resonanzfrequenz des Bragg-Resonators verändert und gleichzeitig die Dämpfung im Bragg-Resonator beeinflußt wird. Dadurch wird das optische Ausgangssignal vom Modulationssignal gesteuert. Außerdem kann eine Modulation durch Veränderung des Brechungsindex über den elektrooptischen Effekt im Bereich des Resonators erfolgen, wenn das Bauelement aus einem dazu geeigneten Material hergestellt wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements,
Fig. 2 Teile eines ersten Ausführungsbeispiels in mehreren Ansichten,
Fig. 3 eine Ansicht einer Leitschicht bei dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 einen Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 bis Fig. 8 Teile von weiteren drei Ausführungsbeispielen.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im folgenden wird derjenige Wellenleiter, der bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Bauelements als Empfänger die zu empfangenen optischen Signale und bei der Verwendung als frequenzselektiver Modulator die zu sendenden optischen Signale leitet, zur Unterscheidung von den weiteren Wellenleitern als zentraler Wellenleiter bezeichnet.
Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Bauelement befindet sich auf einem Träger 1 (Substrat) ein zentraler Wellenleiter 2, an den mindestens an einem Ende eine Glasfaser 3 angekoppelt werden kann. Von den erfindungsgemäßen Bauelementen können mehrere hintereinander angeordnet werden, wobei das zu empfangende bzw. zu sendende Licht nacheinander durch die zentralen Wellenleiter 2 mehrerer Bauelemente hindurchtritt.
Im wesentlichen parallel zum zentralen Wellenleiter 2 erstrecken sich weitere Wellenleiter 4, 5, 6, 7, welche an den zentralen Wellenleiter 2 evaneszent angekoppelt sind, was in Fig. 1 durch starke Doppelpfeile angedeutet ist. Die weiteren Wellenleiter 4 bis 7 sind durch Veränderung des effektiven Brechungsindexes in Längsrichtung derart strukturiert, daß sie Bragg-Resonatoren bilden. Eine derartige Ankopplung von Bragg-Resonatoren wurde bereits in US 48 52 960 als Bestandteil eines Lasersystems vorgeschlagen. Diese Ankopplung läßt sich mit vergleichsweise niedrigem technologischem Aufwand in der sogenannten HOPS-Technologie realisieren, die beispielsweise von Henry et al. in IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 7, October 1989, p. 1530 ff beschrieben ist. Damit läßt sich eine für eine Trennung mehrerer Frequenzmultiplexkanäle ausreichend schmale Frequenzselektion erzielen. Eine weitere Technologie zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements wird später im Zusammenhang mit den Fig. 2 bis 7 näher erläutert.
Unterhalb oder seitlich eines jeden Bragg-Resonators sind auf dem Träger 1 Oberflächendioden 8, 9, 10, 11 angeordnet, welche je nach Zweckbestimmung des Bauelements in Sperr- oder Durchlaßrichtung betrieben werden können. Diese Dioden sind derart in der Nähe der Wellenleiter angeordnet, daß das optische Feld einerseits an den gewünschten Stellen in die Diode einkoppeln kann (kleine Doppelpfeile) und andererseits die Wellenführung der weiteren Wellenleiter bzw. Bragg-Resonatoren nicht durch zu hohe Dämpfung verhindert wird. Werden die Halbleiterdioden 8 bis 11 optisch an den jeweiligen Bragg-Resonator derart angekoppelt, daß die Resonatoren dadurch für die Erzielung einer schmalen Resonanzkurve nicht zu stark gedämpft werden, aber auch eine zur Lichtdetektion ausreichende Lichtintensität in den pn-Übergang der Halbleiterdiode gelangt, so entsteht ein Bauelement, das die empfangenen optischen Signale nach ihrer Frequenz selektiert und demoduliert. Die erhaltenen elektrischen Signale sind dann an den Anschlüssen 12 bis 15 entnehmbar.
Anstelle des integriert-optischen zentralen Wellenleiters 2 kann eine sich auf der integriert-optischen Struktur befindliche Nut zur Faseraufnahme verwendet werden, in die eine von der Umhüllung befreite Glasfaser gegebenenfalls in Verbindung mit Indexöl eingelegt wird. Die Fasernut kann unter Umständen gekrümmt sein, damit die Ankopplung an die Bragg-Resonatoren ausreichend stark ist. Bei dieser Ausführungsform koppelt das in der Glasfaser geführte Licht direkt an die Bragg-Resonatoren und braucht nicht über eine Stoßstelle in den zentralen Wellenleiter 1 eingeführt zu werden.
In einer weiteren nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform wird der zentrale Wellenleiter an ein möglichst entspiegeltes Lasermedium mit möglichst inhomogener Laserlinie auf Stoß angekoppelt. Wird Licht der Resonanzfrequenz eines Bragg-Resonators in das Bauteil eingekoppelt, wird es reflektiert, worauf diese Frequenz im Laseroszillator anschwingt. Da die Resonanzfrequenz in den Bragg-Resonatoren mit Hilfe der darunterliegenden Dioden oder auf andere Weise über Brechungsindexveränderungen abstimmbar ist, kann derart eine jeweils unabhängige Modulation vieler Laserlinien erzielt werden.
Das in Fig. 2 zerlegt dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient im wesentlichen als Empfängerbauelement in einem mit direkter Detektion arbeitenden Frequenzmultiplexsystem. In einem Körper 21 aus niederbrechendem Polymer, der im folgenden Bauelementrahmen genannt wird, ist eine Nut 22 vorgesehen. Diese dient zur Aufnahme des zentralen Wellenleiters, was später anhand von Fig. 3 genauer erläutert wird. Der Bauelementrahmen weist seitlich leistenförmige Halterungen 23, 24 auf, zwischen die ein Halbleiterträger 25 eingeführt werden kann. Dieser trägt die Halbleiterdioden und ist mit einer Leitschicht 26 versehen, die beispielsweise aus Aluminium besteht. Oberhalb der Leitschicht 26 befindet sich eine weitere Schicht 27 aus Polymer bzw. Siliziumdioxid. Die Nut 22 ist in den Endbereichen 28, 29 zur Aufnahme eines Endes je einer umhüllten Glasfaser aufgeweitet. Parallel zur Nut 22 sind im Körper 21 weitere Nuten 31 bis 36 ausgebildet, die als Bragg-Resonatoren strukturiert sind.
Die Herstellung des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels erfolgt derart, daß als Wellenleiter ein flüssiger Polymerkleber mit höherem Brechungsindex in die Nut 22 und in die weiteren Nuten gefüllt wird und daß anschließend das Substratplättchen auf die die Nut 22 und die weiteren Nuten 31 bis 36 umgebende Oberfläche 29 (Fig. 1) des Bauelementrahmens gepreßt wird. Die Schicht 30, die vom flüssigen Polymer, das sich neben der Nut 22 befindet, gebildet wird, sollte eine möglichst geringe Dicke δ aufweisen, wenn es sich nicht vollständig verdrängen läßt. Dazu ist die Anwendung eines entsprechend hohen Drucks beim Einpressen des Substrats 25 erforderlich.
Die auf dem Halbleiterträger 25 befindliche Leitschicht 26 ist als Draufsicht in Fig. 3 dargestellt. Jeder der Durchbrüche 41 bis 46 befindet sich unterhalb eines der in den Nuten 31 bis 36 befindlichen Bragg-Resonatoren. Unterhalb eines jeden Durchbruchs 41 bis 46 ist an der Oberfläche des Substrats 25 eine Halbleiterdiode vorgesehen. Fig. 4 stellt einen Querschnitt durch das bereits im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 beschriebene Ausführungsbeispiel dar.
Bei der Aufbringung der Leitschicht auf den die pn-Übergänge tragenden Halbleiterträger (Substrat) ist zu berücksichtigen, daß die elektrische Anordnung nicht gestört wird. Dieses kann durch Einführung einer dünnen isolierenden Zwischenschicht oder durch geschickte Anwendung der Leitschicht als Kontakt geschehen.
Um die Absorptionszone des Lichtes in den pn-Übergängen zu vergrößern, können die pn-Zonen als pin-Dioden ausgebildet werden - also mit intrinsischer Zwischenschicht.
Auch bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Bauelements mit Hilfe des Bauelementrahmens kann eine für die Einführung einer Glasfaser geeignete Nut vorgesehen sein, was in Fig. 5 dargestellt ist. Durch entsprechende Formgebung des Bauelementrahmens 51 und gegebenenfalls des Halbleiterträgers 52 entsteht ein Kanal mit kreisförmigem Querschnitt für eine Glasfaser 53. Die Nut 54 für die Bragg-Resonatoren, sowie der weitere Aufbau des Halbleiterträgers entsprechen den in Fig. 2 dargestellten Teilen. Es ist bei diesem Ausführungsbeispiel allerdings nur eine Nut 54 für Bragg-Resonatoren vorgesehen.
Fig. 6 stellt ein Bauelement mit nur einem Bragg-Resonator 62 im Körper 61 dar, dem nur eine Öffnung 63 einer Leitschicht 64 gegenübersteht. Die anderen Teile der Anordnung nach Fig. 6 gleichen derjenigen nach Fig. 2.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 sind im Körper 71 zwei Bragg-Resonatoren 72, 73 parallel auf einer Seite der den zentralen Wellenleiter darstellenden Nut 74 angeordnet. Entsprechende Aussparungen 75, 76 sind in der Leitschicht 77 vorgesehen.
Fig. 8 stellt ein Beispiel für die Ankopplung eines opto-elektrischen Wandlers 80 an eine Stirnseite eines Bragg-Resonators 82 dar. Dabei sind die Strukturen in jeweils einem Endbereich 83 des Bragg-Resonators derart, daß eine vollständige Reflektion erfolgt, während im Endbereich 84 eine Teildurchlässigkeit besteht. Anstelle des Halbleiterträgers bei den anderen Ausführungsformen kann bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 eine Platte 85 aus niederbrechendem Polymer verwendet werden, so daß der durch die Nut 86 gebildete zentrale Wellenleiter, der Bragg-Resonator 82 und der Wellenleiter 87 zwischen dem Bragg-Resonator 82 und dem opto-elektrischen Wandler 80 nach unten abgeschlossen sind. Der opto-elektrische Wandler 80 kann beispielsweise durch Kleben am Körper 81 befestigt werden.
Für die Verwendung des Bauelements in der Sendeeinrichtung sind mehrere Möglichkeiten vorhanden. Zum einen kann ein unmodulierter Frequenzkamm, der mit Hilfe einer weiteren Einrichtung erzeugt wurde, in das erfindungsgemäße Bauelement eingekoppelt werden. Die Modulation erfolgt durch Verstimmung der einzelnen Bragg-Resonatoren über Veränderung des Brechungsindexes in den Substratdioden mittels Veränderung des Durchlaßstromes. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Bauelement anstelle eines Laserspiegels in einem Laseroszillator mit genügend inhomogenem Lasermedium verwendet werden. Es schwingen dann im Oszillator die Frequenzen an, die den Resonanzfrequenzen der Bragg-Resonatoren entsprechen. Die Modulation erfolgt auch hier über eine Verstimmung der Resonanzfrequenz. Eine Grobabstimmung der Resonanzfrequenzen kann über die Temperatur erfolgen - also durch Erwärmen oder möglicherweise auch Abkühlen.

Claims (18)

1. Bauelement zur Verwendung bei der Übertragung optischer Signale nach dem Frequenzmultiplexverfahren, gekennzeichnet durch
  • - einen Wellenleiter (2), dem die zu empfangenden Signale zuführbar sind,
  • - mindestens einen weiteren Wellenleiter (4, 5, 6, 7), der etwa parallel zum Wellenleiter (2) verläuft, mit dem Wellenleiter evaneszent gekoppelt ist und durch eine Strukturierung in Längsrichtung als Bragg-Resonator ausgebildet ist, und
  • - mindestens eine Halbleiterdiode (8, 9, 10, 11), die mit dem Bragg-Resonator optisch gekoppelt ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (2) auf einem Träger (1) angeordnet ist und daß zu beiden Seiten des Wellenleiters weitere als Bragg-Resonatoren ausgebildete Wellenleiter (4, 5, 6, 7) angeordnet sind.
3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdioden (8, 9, 10, 11) an den Längsseiten der weiteren Wellenleiter (4, 5, 6, 7) vorgesehen sind.
4. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdioden jeweils an einem Stirnende der weiteren Wellenleiter angekoppelt sind.
5. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdioden als evaneszent gekoppelte Dioden ausgebildet sind.
6. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter von einer die optischen Signale führenden Glasfaser gebildet ist, die in einen im Bauelement vorgesehenen Kanal eingelegt ist.
7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal gekrümmt ist.
8. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper (21, 51, 61, 71) aus niederbrechendem Werkstoff, vorzugsweise Polymer, mit einer Nut (22, 74) zur Aufnahme des Wellenleiters und mindestens mit einer weiteren Nut (31 bis 36, 54, 62, 72, 73), die mit der den Wellenleiter enthaltenden Nut (22, 74) mindestens teilweise parallel verläuft, versehen ist, daß die die Nuten (22, 74, 31 bis 36, 54, 62, 72, 73) einschließende Oberfläche mit einer Substratplatte (25, 52) verbunden ist, welche mindestens die Halbleiterdioden trägt, daß die weiteren Nuten (31 bis 36, 54, 62, 72, 73) als Bragg-Resonator strukturiert sind, daß auf der dem Körper zugewandten Oberfläche der Substratplatte (25, 52) eine Metallschicht (26, 64, 77) angeordnet ist, die im Bereich der weiteren Nuten (31 bis 36, 54, 62, 72, 73) mindestens teilweise unterbrochen ist und daß mindestens eine Halbleiterdiode im Bereich der Unterbrechungen (41 bis 46, 63, 75, 76) der Metallschicht (26, 64, 77) in der Substratplatte (25, 52) ausgebildet ist.
9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (21, 51, 61, 71) aus niederbrechendem Werkstoff an mindestens zwei Seiten der die Nuten (22, 74, 31 bis 36, 54, 62, 72, 73) einschließenden Oberfläche leistenförmige Halterungen (23, 24) für die Substratplatte (25, 52) aufweist.
10. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (22, 74) und die weiteren Nuten (31 bis 36, 54, 62, 72, 73) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
11. Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Nut (22, 74) und in den weiteren Nuten (31 bis 36, 54, 62, 72, 73) befindlichen Wellenleiter aus höherbrechendem Polymer bestehen.
12. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper (81) aus niederbrechendem Werkstoff, vorzugsweise Polymer, mit einer Nut (86) zur Aufnahme des Wellenleiters und mindestens mit einer weiteren Nut (82), die mit der den Wellenleiter enthaltenden Nut (86) mindestens teilweise parallel verläuft, versehen ist, daß die die Nuten (82, 86) einschließende Oberfläche mit einer Platte (85) aus niederbrechendem Werkstoff verbunden ist, daß die weitere Nut (82) als Bragg-Resonator strukturiert ist und daß die weitere Nut (82) über den Bragg-Resonator hinaus bis an eine Kante des Körpers (81) verlängert ist und daß am Ende der verlängerten weiteren Nut (87) ein opto-elektrischer Wandler (80) angeordnet ist.
13. Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (81) aus niederbrechendem Werkstoff an mindestens zwei Seiten der die Nuten (82, 86) einschließenden Oberfläche leistenförmige Halterungen für die Platte (85) aus niederbrechendem Werkstoff aufweist.
14. Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (86) und die weitere Nut (82, 87) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
15. Bauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Nut (86) und in der weiteren Nut (82, 87) befindlichen Wellenleiter aus höherbrechendem Polymer bestehen.
16. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung des Wellenleiters gesehen mehrere Bragg-Resonatoren (4, 6; 5, 7; 31, 32, 33; 34, 35, 36) hintereinander angeordnet sind.
17. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung des Wellenleiters gesehen mehrere Bragg-Resonatoren (72, 73) nebeneinander angeordnet sind.
18. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten des Wellenleiters (2, 22) Bragg-Resonatoren (4, 5; 6, 7; 31, 34; 32, 35; 33, 36) angeordnet sind.
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