DE4210930A1

DE4210930A1 - Integrated optical beam splitter mfr. using film waveguide - marking boundary surface with load film of low attenuation and suitable shape, thickness and refractive index

Info

Publication number: DE4210930A1
Application number: DE19924210930
Authority: DE
Inventors: Konrad Kapser; Christoph Wagner; Peter Dr Deimel
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1992-04-02
Filing date: 1992-04-02
Publication date: 1993-10-07

Abstract

The film waveguide integrated optical beam divider is made with a boundary surface of different film configurations and corresp. effective refractive indices. The boundary surface is marked by a load film of low attenuation material of suitable geometric shape, thickness and refractive index and with a beam division characteristic defined by the effective refractive indices. The beam propagation angle is variable by selecting the shape of the load film. ADVANTAGE - Enables effective refractive index to be increased and any incident angle to be used.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines inte grierten optischen Strahlteilers gemäß dem Gattungsbegriff des Anspru ches 1.The invention relates to a method for producing an inte grierte optical beam splitter according to the generic term of Anspru ches 1.

Solche Strahlteiler sind in verschiedenen Ausführungsformen bereits be kannt. Durch die Fresnel′schen Formeln ist das Transmissions- und Refle xionsverhalten einer Grenzschicht zwischen zwei Medien mit den Brechungs indizes n₁ und n₂ bestimmbar. Mun ist es bekannt, daß bei sogenann ten Filmwellenleitern eine solche Grenzschicht bzw. Grenzfläche dort auftritt, wo sich die effektiven Brechungsindizes aufgrund unterschied licher Schichtkonfigurationen unterscheiden. Ein Filmwellenleiteraufbau nach dem Stand der Technik ist in der Fig. 1 gezeigt und verdeutlicht die verwendete "Grabenmethode", bei der durch Ätzen eines Grabens der effektive Index verkleinert wird. Damit nun hier überhaupt eine Strahl teilung möglich ist, muß der "Graben" bei Lichteinfall unter einem Win kel, der größer als der für eine Totalreflexion ist, in der Größenord nung der Modeneindringtiefe - also im µm-Bereich - liegen. Photolitho graphische Ätzverfahren stoßen hier jedoch schon an ihre Grenzen.Such beam splitters are already known in various embodiments. The transmission and reflection behavior of a boundary layer between two media with the refractive indices n ₁ and n _{2 can be} determined by the Fresnel formulas. Mun it is known that such a boundary layer or interface occurs in so-called th film waveguides where the effective refractive indices differ due to differing layer configurations. A film waveguide structure according to the prior art is shown in FIG. 1 and illustrates the "trench method" used, in which the effective index is reduced by etching a trench. In order for beam splitting to be possible here at all, the "ditch" in the incidence of light must be below an angle greater than that for total reflection, in the order of magnitude of the mode penetration depth - that is to say in the μm range. However, photolithographic etching processes are already reaching their limits here.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, mit dem der effektive Brechungsindex erhöht wird und ein Lichteinfall unter beliebigem Winkel ermöglicht wird.The present invention has for its object a method of the type mentioned at the beginning with which the effective refractive index is increased and incidence of light at any angle is made possible.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge löst. Eine Weiterbildung wird im Unteranspruch angegeben. In der nach folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figu ren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigen This object is achieved by the measures outlined in claim 1 solves. Further training is specified in the subclaim. In the after The following description explains exemplary embodiments. The Figu Ren of the drawing supplement these explanations. Show it

Fig. 1 ein Schemabild einer typischen Schichtkonfiguration eines Film wellenleiters mit der sogenannten Grabenmethode nach dem Stand der Technik, Fig. 1 is a schematic diagram of a typical configuration of a layer film waveguide, with the so-called grave method according to the prior art

Fig. 2a ein Schemabild eines Schnittes durch ein Ausführungsbeispiel ei ner Schichtkonfiguration nach der sogenannten "Belastungsmethode" mit ganzflächig aufgebrachter Belastungsschicht, FIG. 2a is a schematic picture of a section through an embodiment of egg ner layer configuration according to the so-called "load" method with the whole area of applied load layer,

Fig. 2b ein Schemabild gemäß Fig. 2 mit ganzflächiger Abscheidung und Strukturierung durch Ätzprozesse, Fig. 2b is a schematic diagram of FIG. 2 with whole-area deposition and patterning by etching,

Fig. 3a ein Schemabild eines Schnittes eines weiteren Ausführungsbei spieles gemäß Fig. 2a, Fig. 3a a diagram of a section of a further Ausführungsbei Game according to Fig. 2a,

Fig. 3b ein Schemabild gemäß Fig. 3a mit ganzflächiger Abscheidung und Strukturierung durch Ätzprozesse, FIG. 3b is a schematic diagram according to Fig. 3a, with whole-area deposition and patterning by etching processes

Fig. 4a ein Schemabild eines Schnittes eines dritten Ausführungsbeispie les mit lokaler Modifikation des Brechungsindex durch Laser strahlbehandlung, FIG. 4a is a schematic diagram of a section of a third Ausführungsbeispie les blasting treatment with a local modification of the refractive index by laser,

Fig. 4b ein Schemabild gemäß Fig. 4a mit lokaler Modifikation des Bre chungsindex durch Diffusionsprozesse, FIG. 4b is a schematic diagram of FIG. 4 with a local modification of a refracting index of diffusion processes,

Fig. 5 ein Schemabild einer Belastungsgeometrie zur Variation des Auf weitwinkels, Fig. 5 is a schematic diagram of a load geometry wide angle to the variation of the background,

Fig. 6 ein Schemabild eines in einen Filmwellenleiter integrierten In terferometers. Fig. 6 is a schematic image of an integrated in a film waveguide in terferometer.

Wie bereits angeführt, ist aus der klassischen Optik das Transmissions- und Reflexionsverhalten einer Grenzschicht zwischen zwei Medien mit den Brechungsindizes n₁ und n₂ bekannt und durch die Fresnel′schen For meln bestimmt. Bei Ausführungsformen von Filmwellenleitern tritt eine Grenzfläche dort auf, wo sich die effektiven Brechungsindizes aufgrund unterschiedlicher Schichtkonfigurationen unterscheiden, bei der sich je doch durch Ätzen eines Grabens (Fig. 1) der effektive Index erniedrigt.As already mentioned, the transmission and reflection behavior of a boundary layer between two media with the refractive indices n ₁ and n _{2 is} known from classic optics and is determined by the Fresnel formulas. In embodiments of film waveguides, an interface occurs where the effective refractive indices differ due to different layer configurations, in which, however, the effective index is reduced by etching a trench ( FIG. 1).

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine bestehende Schichtkonfiguration derart zu modifizieren, daß sich ihr effektiver Brechungsindex, der - grob gesagt - ein mit den Dicken der einzelnen Schichten gewichteter Mittelwert aus den einzelnen Brechungsindizes ist, verändert. Nachste hend werden einige Ausführungsbeispiele verfahrensmäßig beschrieben.There are various options for an existing shift configuration to be modified in such a way that their effective refractive index - roughly speaking - one weighted with the thicknesses of the individual layers The mean value from the individual refractive indices is changed. Next Some exemplary embodiments are described in terms of method.

Wie aus den Fig. 2a und 2b hervorgeht, wird bei der sogenannten Bela stungsmethode eine zusätzliche Schicht in wählbarer Dicke aus einem dämpfungsarmen Material mit einem Brechungsindex, der kleiner als der der wellenleitenden Schicht ist, aufgebracht. Dies kann durch CVD-Ab scheidung, Aufdampfen, Sputtern oder ähnlichen Verfahren geschehen. Da mit wird n_2eff erhöht. Die gewünschte geometrische Form kann dabei prinzipiell auf zwei Arten erhalten werden, nämlichAs can be seen from FIGS. 2a and 2b, in the so-called loading method, an additional layer of a selectable thickness is applied from a low-damping material with a refractive index that is smaller than that of the waveguiding layer. This can be done by CVD deposition, vapor deposition, sputtering or similar processes. Since with _{2 neff is} increased. The desired geometric shape can in principle be obtained in two ways, namely

a) by depositing the layer with an appropriate mask or
b) by full-surface deposition and subsequent structuring through etching processes.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 3a und 3b wird durch Ätzen von Schichten der vorgegebenen Konfiguration n_1eff verringert, jedoch wird auch durch diese Maßnahme die Forderung n_1eff<n_2eff erfüllt.In the _exemplary embodiments according to FIGS . 3a and 3b, n _{1eff is} reduced by etching layers of the given configuration, but the requirement n _1eff <n _2eff is also met by this measure.

Durch lokale Modifikationen des Brechungsindex einzelner Schichten - wie in den Fig. 4a und 4b skizziert - beispielsweise durch Laserbestrahlung oder durch Diffusionsprozesse, wird der Brechungsindex n_2eff lokal er höht, bzw. n_1eff lokal vermindert. By local modifications of the refractive index of individual layers - as outlined in FIGS . 4a and 4b - for example by laser irradiation or by diffusion processes, the refractive index n _{2eff is increased} locally or n _1eff locally.

Dadurch, daß gemäß den vorstehend erläuterten Prozessen der Lichteinfall auf ein dichteres Medium ermöglicht ist, wird eine Strahlteilung in ei nem Verhältnis - das aus den Fresnel′schen Formel für gegebenes n_1eff und n_2eff berechnet wird - für einen Lichteinfall unter beliebigem Winkel ermöglicht. An die geometrische Form des Gebietes, in dem der ef fektive Brechungsindex größer ist, wird dabei keine Anforderung gestellt. Deshalb ist es möglich, durch die Wahl dieser Form den Winkel, unter dem die Strahlen aufteilen, zu variieren. Grund dafür ist die Tatsache, daß der Strahl bei Austritt aus dem optisch dichteren Medium wiederum eine Brechung erfährt. Dies veranschaulicht die Fig. 5.Characterized in that according to the processes explained above, the incidence of light on a denser medium is made possible, a beam splitting in a ratio - which is calculated from the Fresnel formula for given n _1eff and n _2eff - is made possible for incidence of light at any angle. There is no requirement for the geometric shape of the area in which the effective refractive index is greater. Therefore, by choosing this shape, it is possible to vary the angle at which the rays split. The reason for this is the fact that the beam undergoes refraction when it emerges from the optically denser medium. This is illustrated in FIG. 5.

Integrierte optische Strahlteiler für Filmwellenleiter ermöglichen zu sammen mit bereits verwirklichten integrierten totalreflektierenden Spiegeln die neuartige Form eines in Filmwellenleiter integrierten In terferometers, wie in Fig. 6 veranschaulicht. Hierbei können die Größen, die die optische Weglänge des Meßarmes beeinflussen, zu nachweisbaren Interferenzverschiebungen im Detektor führen. Hierfür eignet sich das vorbeschriebene Verfahren besonders, denn durch eine geschickte Wahl der Form der Belastungsschicht - ein Beispiel veranschaulicht die Fig. 5 - kann nun der Winkel, unter dem die Strahlen aufteilen, variiert werden.Integrated optical beam splitters for film waveguides, together with already implemented integrated totally reflecting mirrors, enable the novel form of an interferometer integrated in film waveguides, as illustrated in FIG. 6. The quantities that influence the optical path length of the measuring arm can lead to detectable interference shifts in the detector. The method described above is particularly suitable for this, since the angle at which the beams divide can now be varied by a clever choice of the shape of the loading layer - an example is illustrated in FIG. 5.

Claims

1. A method for producing an integrated optical beam divider with a film waveguide structure, the interface of which is formed by different layer configurations and corresponding effective refractive indices n ₁ and n ₂ , characterized in that the interface is made of a low-loss material in a selectable geometric shape by a stress layer , Thickness and refractive index is marked and has a beam splitting _ratio determined by n _1eff and n _2eff .

2. The method according to claim 1, characterized in that by Choice of the shape of the loading layer of the beam expansion angle can be varied is.