DE60021689T2

DE60021689T2 - Multifunktioneller integriert-optischer Chip mit verbessertem Polarisationsauslöschungsverhältnis

Info

Publication number: DE60021689T2
Application number: DE60021689T
Authority: DE
Inventors: Lorrie L. Reseda Gampp; Arthur R. Canoga Park Martinez; Thomas Agoura Hills Flaherty; Christine E. Geosling; Gregory Zimmerman
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: CA2328789C; JP2001242327A; CA2328789A1; DE60021689D1; EP1111413A1; JP3774743B2; EP1111413B1; US6351575B1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der integrierten optischen Chips oder Vorrichtungen und insbesondere das Gebiet der multifunktionalen integrierten optischen Chips wie etwa jener mit integrierten optischen Bauelementen, die auf Lithiumniobat-(LiNbO₃-)Substraten ausgebildet sind. Integrierte optische Bauelemente, die auf solchen Chips ausgebildet sind, weisen Wellenleiter auf, die so angeordnet sein können, daß sie zum Beispiel als optische Koppler und Phasenmodulatoren fungieren können. Mehrere Funktionen können auf einer einzigen Vorrichtung integriert sein, was Verluste und Fehler beseitigt, die mit der Kopplung von separaten Vorrichtungen verbunden sind.
Multifunktionale Integrierte Optische Chips (MIOCs) werden normalerweise in großen Stückzahlen auf drei bis vier Zoll großen Wafern aus Lithiumniobat (LiNbO₃) unter Verwendung von herkömmlichen Photomasken, Vakuumabscheidung, chemischen Bädern, Protonenaustausch-, Diffusions- und Ätzmethoden hergestellt, um große Zahlen identischer Bauelemente zu niedrigen Kosten und mit hoher Zuverlässigkeit auszubilden. MIOCs, die imstande sind, viele Funktionen wie etwa Polarisationsverteilung/kombination und Modulation durchzuführen, werden bei der Herstellung von faseroptischen Gyroskopen (FOGs) oder Rotationssensoren von mittlerer und hoher Genauigkeit verwendet. Das FOG nutzt den Sagnac-Effekt, um Rotationsfrequenzen um eine Achse senkrecht zu einer Faseroptische Spule zu messen. MIOCs können auch bei der Bildung anderer faseroptischer Sensoren wie etwa Hydrophone oder Geophone verwendet werden, die auf den Prinzipien des Mach-Zehnder- oder des Michelson-Interferometers beruhen.
Ein faseroptisches Gyroskop weist eine Einrichtung zum Einkoppeln gegenläufiger Wellen aus einer optischen Signalquelle in eine faseroptische Spule auf. Durch Drehung der Spule um eine Achse senkrecht zur Ebene der Spule entsteht über den Sagnac-Effekt ein Phasenunterschied zwischen der im Uhrzeigersinn und der entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufenden Welle. Die Phasenverschiebung tritt auf, weil Wellen, die die Spule in Richtung der Drehung durchlaufen, eine längere Durchgangszeit durch die faseroptische Spule haben als Wellen, die die Spule in der entgegengesetzten Richtung durchlaufen. Die Wellen werden nach der Ausbreitung durch die Spule kombiniert. Diese Kombination von Wellen erzeugt ein Interferenzmuster, das verarbeitet werden kann, um die Rotationsfrequenz zu bestimmen. Verfahren zur Bestimmung der Rotationsfrequenz sind im Stand der Technik bekannt.
Es ist allgemeine Praxis, ein FOG so auszubilden, daß es einen multifunktionalen integrierten optischen Chip (MIOC) zwischen der optischen Signalquelle und der faseroptischen Spule aufweist, die normalerweise aus polarisationserhaltender Faser gebildet wird. Der MIOC weist normalerweise eine Vielzahl von optischen Wellenleitern auf, die so angeordnet sind, daß sie eine Y-Verzweigung bilden. Die Basis der Y-Verzweigung ist mit der optischen Signalquelle verbunden, während die Arme der Y-Verzweigung mit den Enden der faseroptischen Spule gekoppelt sind. In den multifunktionalen integrierten optischen Chip eingegebene optische Signale teilen sich an der Y-Verzweigung, um optische Signale zu bilden, die als die gegenläufigen Wellen in die Enden der Faseroptische Spule eingegeben werden. Nach Ausbreitung durch die Spule treten die Wellen in die optischen Wellenleiter ein, die die Arme der Y-Verzweigung bilden. Die Wellen kombinieren dann in der Y-Verzweigung und werden aus der Basis der Y-Verzweigung in eine optische Faser ausgegeben. Die kombinierten Wellen werden zu einem Photodetektor geleitet, der ein elektrisches Signal erzeugt, das verarbeitet wird, um die Rotationsfrequenz zu bestimmen.
Der erwünschte Zustand in einem faseroptischen Rotationssensor ist, daß sich die transversale elektrische (TE) Mode in der faseroptischen Spule und in den optischen Wellenleitern ohne hinzugefügte Weglängen ausbreitet. Die Ausbreitung von transversalen magnetischen (TM) Moden und TE-Moden mit hinzugefügten Weglängen sind unerwünschte Zustände. Fehlerquellen wie etwa Polarisations-Kreuzkopplung, die eine Phasenverschiebung hinzufügt (oder Polarisations-Nichtreziprozität, PNR, die damit zusammenhängt, daß in der Faser jederzeit zwei Polarisationskomponenten möglich sind), erscheinen als zusätzliche optische Wegunterschiede in direkter Konkurrenz mit dem Sagnac-Effekt. Diese Fehlerquellen verursachen systematische Fehler der Phase und der Amplitude, wenn sie mit der Frequenz moduliert werden, die von den Phasenmodulatoren im MIOC verwendet wird. Die systematische Fehlerkomponente im faseroptischen Rotationssensor aufgrund von Polarisations-Kreuzkopplung ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des absoluten Betrags des Polarisations-Extinktionsverhältnisses. Das Extinktionsverhältnis ist definiert als das Zehnfache des Logarithmus des Verhältnisses zwischen der unerwünschten Leistung (die Leistung der unerwünschten Mode) und der erwünschten Leistung (die Leistung der erwünschten Mode) der Polarisationsmoden, ausgedrückt in Dezibel. Das Minimieren der Kreuzkopplung (Maximieren des absoluten Betrags des Extinktionsverhältnisses) im MIOC verringert diese Art von systematischem Fehler.
Als weiterer Hintergrund können integrierte optische Chips wie etwa jene, die hier offenbart werden, unter Verwendung von Prozessen und Schritten ausgebildet sein können, die einigen von denjenigen ähnlich sind, die offenbart sind im US-Patent Nr. 5193136, das Chin L. Chang et al. am 9. März 1993 für PROCESS FOR MAKING MULTIFUNCTION INTEGRATED OPTICS CHIPS HAVING HIGH ELECTRO-OPTIC COEFFICIENTS erteilt wurde; US-Patent Nr. 5046808, das Chin L. Chang am 10. September 1991 für INTEGRATED OPTICS CHIP AND METHOD OF CONNECTING OPTICAL FIBER THERETO; US-Patent Nr. 5393371, das Chin L. Chang et al. am 28. Februar 1995 für INTEGRATED OPTICS CHIPS AND LASER ABLATION METHODS FOR ATTACHMENT OF OPTICAL FIBERS THERETO FOR LiNbO₃ SUBSTRATES erteilt wurde; US-Patent Nr. 5442719, das Chin L. Chang et al. am 15. August 1995 für ELECTRO-OPTIC WAVEGUIDES AND PHASE MODULATORS AND METHODS FOR MAKING THEM erteilt wurde; sowie US-Patent Nr. 4976506, das George A. Pavlath am 11. Dezember 1990 für METHODS FOR RUGGED ATTACHMENT OF FIBERS TO INTEGRATED OPTICS CHIPS AND PRODUCT THEREOF erteilt wurde.
Weitere Hintergründe zum Stand der Technik sind im US-Patent Nr. 5321779 offenbart, das Karl M. Kissa am 14. Juni 1994 für OPTICAL SUBSTRATE WITH LIGHT ABSORBING SEGMENTS erteilt wurde.
Diese Erfindung betrifft insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Verringerung der Polarisations-Nichtreziprozitätsfehler im MIOC infolge dessen, daß sowohl TM-Moden als auch TE-Moden unerwünschte optische Wege durchlaufen haben und dann in einen auf dem MIOC ausgebildeten optischen Wellenleiter gekoppelt wurden.
Wenn der systematische Fehler des Gyroskops erheblich verringert wird, besteht die Möglichkeit, die Faserkosten zu verringern, indem die polarisationserhaltende Faser durch weniger teure Monomodefaser ersetzt wird oder eine geringere Länge an polarisationserhaltender Faser verwendet wird, als zur Zeit verwendet wird. Es besteht auch die Möglichkeit, eine erhöhte Gyroskopgenauigkeit zu unterstützen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist ein integrierter optischer Chip nach Anspruch 1. Der integrierte optische Chip umfaßt ein aus einem elektrooptisch aktiven Material bestehendes Substrat und ein auf einer ersten oberen Fläche des Substrats ausgebildetes optisches Wellenleiternetzwerk. Das optische Wellenleiternetzwerk hat eine Eingangsfacette, wo ein optisches Signal in das optische Wellenleiternetzwerk eingegeben werden kann, sowie eine Ausgangsfacette, wo optische Signale vom optischen Wellenleiternetzwerk ausgegeben werden können. Der integrierte optische Chip umfaßt auch einen Graben, der in der Bodenfläche ausgebildet ist und sich in Richtung des optischen Wellenleiternetzwerks bis zu einer Tiefe von mindestens 70% der Dicke in das Substrat erstreckt. Der Graben ist angeordnet, um zu verhindern, daß Lichtstrahlen, die aus dem Inneren des Substrats auf ihn einfallen, sich zur Ausgangsfacette ausbreiten. Insbesondere verhindert der Graben, daß an der Eingangsfacette durch Streuung abgelenktes Licht von der Bodenfläche des Substrats zur Ausgangsfacette reflektiert wird. Der integrierte optische Chip weist ferner eine auf der oberen Fläche des Substrats angeordnete Abdeckung und eine in einer Seitenfläche des Substrats und der Abdeckung ausgebildete Nut auf.
Die Abdeckung erstreckt sich vorzugsweise im wesentlichen über die gesamte Lände des Substrats.
Der integrierte optische Chip kann eine Vielzahl von Gräben aufweisen, die in der Bodenfläche ausgebildet sind und sich in Richtung des optischen Wellenleiternetzwerks bis zu einer Tiefe von mindestens 70% der Dicke in das Substrat erstrecken. Die Gräben können sich in das Substrat bis zu ungefähr 95% der Substratdicke erstrecken.
Der integrierte optische Chip gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner ein lichtabsorbierendes Material im Graben und in den Nuten aufweisen.
Der integrierte optische Chip gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine Elektrodenanordnung aufweisen, die auf der oberen Fläche des Substrats angrenzend an das optische Wellenleiternetzwerk ausgebildet ist, und eine Vielzahl von Zugangselektroden, die auf den Seitenflächen des Substrats und der Abdeckung ausgebildet sind, um den Elektroden elektrische Signale zuzuführen.
Eine Anerkennung der Aufgaben der vorliegenden Erfindung und ein umfassenderes Verständnis ihrer Struktur und Arbeitsweise sind möglich, wenn man die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform studiert und sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine perspektivische Ansicht eines MIOC nach Stand der Technik;
1B ist eine Unteransicht des MIOC aus 1A;
1C ist eine Seitenansicht des MIOC aus 1A und 1B;
2A–2C sind Seitenrißansichten, die MIOCs nach Stand der Technik darstellen, die dafür ausgelegt sind, einfache Reflexionen zu blockieren;
3 ist eine Seitenansicht eines MIOC gemäß der vorliegenden Erfindung, der dafür ausgelegt ist, Strahlenwege mehrmaliger Reflexionen zu blockieren.
4 ist eine Seitenrißansicht eines MIOC nach Stand der Technik;
5 ist eine Seitenrißansicht, die Vergleiche der Dicken eines MIOC gemäß der vorliegenden Erfindung und des MIOC nach Stand der Technik aus 4 darstellt;
6A ist eine Seitenansicht, die Probe-Strahlengänge für reflektierte Strahlen in einem MIOC gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
6B ist eine Draufsicht des MIOC aus 6A;
7 ist eine Draufsicht, die seitliche Gräben in einem MIOC gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ist eine Draufsicht, die eine Anordnung von Elektroden darstellt, die auf dem MIOC gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sein kann;
9 ist eine Seitenansicht, die Elektroden auf einem MIOC gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, die durch den Klebfilm zwischen dem MIOC und einer Abdeckung ansprechbar sind;
10 stellt die Auswirkungen eines 950-μm-Grabens auf das Extinktionsverhältnis eines MIOC grafisch dar;
11 stellt die Auswirkungen der Grabentiefe auf das Extinktionsverhältnis eines MIOC grafisch dar; und
12 stellt die Auswirkungen eines einzelnen und mehrerer eingeschnittener Gräben in einer Tiefe von 750 μm grafisch dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Keine der Zeichnungen der in dieser Offenbarung beschriebenen Vorrichtung ist maßstäblich. Einige der Abmessungen von in den Zeichnungen enthaltenen Bestandteilen sind so klein, daß sie in einem vergrößerten Maßstab relativ zu anderen Bestandteilen dargestellt werden müssen.
1A stellt einen ersten MIOC 10 nach Stand der Technik dar, der ein optisches Wellenleiternetzwerk 11 aufweist, das drei auf einem Substrat 16 ausgebildete optische Wellenleiter 12–14 aufweist. Das Substrat 16 besteht aus einem elektrooptisch aktiven Material wie etwa Lithiumniobat LiNbO₃, das gewöhnlich zur Ausbildung solcher Bauelemente verwendet wird. Die optischen Wellenleiter 12–14 werden durch Dotierung von Abschnitten des Substrats 16 unter Verwendung von Prozessen ausgebildet, die dem Fachmann bekannt sind.
Der optische Wellenleiter 12 erstreckt sich von einer Kante 18 des Substrats 16 bis zu einer Y-Verzweigung 20, wo sich die optischen Wellenleiter 12–14 teilen. Die optischen Wellenleiter 13 und 14 haben abgewinkelte Abschnitte 22 bzw. 24, die sich zwischen der Y-Verzweigung 20 und parallelen Abschnitten 26 und 28 erstrecken. Die optischen Wellenleiter 13 und 14 erstrecken sich zwischen der Y-Verzweigung 20 und einer Kante 30 des Substrats 16, wobei die Endflächen 18 und 30 im allgemeinen parallel sind.
Die optischen Wellenleiter 12–14 sind so ausgebildet, daß optische Fasern 32–34 jeweils mit ihnen muffengekoppelt sein können, um den MIOC 10 mit anderen Bauelementen (nicht dargestellt) zu verbinden. Um die Beschreibung sowohl des Standes der Technik als auch der Erfindung zu unterstützen, wird die optische Faser 32 nachfolgend als Eingangs-Anschlußfaser 32 bezeichnet, und die optischen Fasern 33 und 34 werden als Ausgangs-Anschlußfasern 33 und 34 bezeichnet.
Ein Paar Füße 36 und 38 ist auf der oberen Fläche 40 des Substrats 16 in der Nähe der Enden 18 bzw. 30 angeordnet.
Der MIOC 10 ist dafür ausgelegt, einfache Reflexionen von der unteren Fläche 42 des Substrats 16 zu blockieren. Wenn zum Beispiel ein optisches Signal von der Eingangs-Anschlußfaser 32 in den MIOC 10 eingegeben wird, breitet sich der größte Teil des eingegebenen Signals in den optischen Wellenleiter 12 zur Y-Verzweigung 20 aus und wird in die optischen Wellenleiter 13 und 14 eingekoppelt, die wiederum über die Ausgangs-Anschlußfaser 33 und 34 auskoppeln. Jedoch breitet sich ein kleiner Anteil des Signals von der Eingangs-Anschlußfaser 32 im Substrat 16 aus. Es gibt einen Einfallswinkel für Licht, das von der unteren Fläche 42 des Substrats 16 reflektiert wird, für den sich der reflektierte Strahl zur Kante 30 ausbreitet, wo sich das Licht zu den Ausgangs-Anschlußfasern 33 und 34 ausbreitet, die mit den optischen Wellenleitern 13 und 14 gekoppelt sind. Der Winkel hängt von den Abmessungen des MIOC 10 ab und läßt sich leicht berechnen, sobald die Länge und Dicke des MIOC bekannt sind. Typische MIOCs sind ungefähr 26 bis 28 mm lang, 2 mm breit und 1 mm dick.
Strahlenwege mit einer einfachen Reflexion von der unteren Oberfläche 42 werden durch drei im MIOC 10 ausgebildete flache Gräben oder Nuten 44–46 blockiert. Diese Gräben 44–46 befinden sich im zentralen Bereich des Substrats 16, wo ein Strahl reflektiert werden müßte, um den Ausgang des MIOC 10 zu erreichen. Wie in 1A–1C dargestellt, sind die Gräben 44–46 parallel, und sie erstrecken sich über das Substrat 16 in einer Richtung, die ungefähr senkrecht zum durch die optischen Wellenleiter 12–14 definierten optischen Weg verläuft. Normalerweise weichen die Gräben 44–46 0°–15° von der Senkrechten zum durch die optischen Wellenleiter 12–14 definierten optischen Weg ab. Die Gräben 44–46 erstrecken sich normalerweise ungefähr 50 bis 300 μm von der unteren Kante 42 in das Substrat 16. Normalerweise haben die Gräben 44–46 Tiefen, die erheblich geringer sind als die Hälfte der Höhe der Substrats 16. Die Gräben können mit einer Substanz wie etwa Tusche gefüllt sein, um die Unterdrückung unerwünschter Lichtstrahlen zu verbessern.
Ein Lichtstrahl, der auf eine Seite des Grabens 44 einfällt, wird in einem Winkel reflektiert, der es nicht zuläßt, daß der Strahl die Eingangs- oder Ausgangs-Anschlußfaser des MIOC 10 erreicht. Ein Teil des Lichts kann auch absorbiert werden. Der MIOC 10 hat ein Extinktionsverhältnis im Bereich von ungefähr –55 bis –65 dB.
2A stellt einen MIOC 60 mit drei gleichmäßig voneinander beabstandeten Gräben 62–64 an den Punkten 1/4, 1/2 und 3/4 in bezug auf die Länge des MIOC dar. 2B stellt noch einen anderen Typ von MIOC 65 nach Stand der Technik mit einem einzelnen Graben 66 im zentralen unteren Bereich dar. Diese beiden Ausführungen können mit oder ohne Füße 59, 61 hergestellt werden.
2C stellt Strahlen 68A und 68B dar, die sich von einer Eingangsfacette 67 des MIOC 60 zur Bodenfläche 69 ausbreiten. Der Graben 62 blockiert den Strahl 68B, und der Graben 63 blockiert den Strahl 68A. Auch diese Ausführung kann wiederum mit oder ohne Füße 59, 61 hergestellt werden.
Nach dem Stand der Technik wird nichts unternommen gegen Reflexionen von den Seitenflächen oder Reflexionen, an denen sowohl die Seitenflächen als auch der Boden des Chips beteiligt sind, und es bestehen Einschränkungen durch die strukturelle Integrität des Chips. Der Stand der Technik berücksichtigt nur die beiden einfachsten optischen Wege für Streulicht, die an einer Anschlußfaser-Schnittstelle beginnen und an einer gegenüberliegenden Anschlußfaser enden.
Es ist festgestellt worden, daß eine weitere Verbesserung des MIOC-Extinktionsverhältnisses erfordert, daß auch andere Strahlen als diese beiden einfachsten Strahlenwege, die einfache und dreimalige Reflexionen von der Oberfläche 40 und der Bodenfläche 42 des Substrats 16 haben, blockiert werden.
3 ist eine Seitenrißansicht eines MIOC 70 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der MIOC 70 ist in einem Substrat 72 auf die oben beschriebene Weise ausgebildet und hat ebenfalls ein optisches Wellenleiternetzwerk 11, das optische Wellenleiter 12–14 aufweist, die auf einer ersten Oberfläche 73 ausgebildet sind, wie oben beschrieben und in 1A dargestellt. Das Substrat 72 hat vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 1000 μm. Der MIOC 70 hat einen einzelnen Graben 74, der im zentralen Bodenabschnitt 76 des Substrats 72 ausgebildet ist. Der Graben 74 hat vorzugsweise eine Tiefe im Bereich von ungefähr 700 bis 950 μm und eine Breite von ungefähr 0,003 Zoll bis 0,012 Zoll. Deshalb beträgt die Tiefe des Grabens 74 vorzugsweise circa 70% bis 95% der Dicke des Substrats 72. Der Graben 74 kann mit einem lichtabsorbierenden Material 75, wie etwa Tusche, gefüllt werden.
Der MIOC 70 weist ferner eine Abdeckung 78 auf, die auf einer oberen Fläche 79 des Substrats 72 angeordnet ist. Die Abdeckung 78 besteht vorzugsweise auch aus LiNbO₃. Die Abdeckung 78 ist vorzugsweise ein Block mit rechtwinkligen Außenflächen und einer Dicke von ungefähr 1000 μm oder derselben Dicke wie das Substrat 72. Die Abdeckung 78 sorgt für eine zusätzliche strukturelle Integrität, um zu verhindern, daß der MIOC 72 dort bricht, wo der Graben 74 ausgebildet ist. Andere Ausführungsformen weisen die Verwendung einer 500 μm dicken Abdeckung 78 auf.
Der Graben 74 im MIOC 70 blockiert Lichtstrahlen mit einfachen oder dreimaligen Reflexionen an der Bodenfläche 80 und der oberen Fläche 106 und blockiert auch Licht von Streuquellen innerhalb des MIOC 70, einschließlich der optischen Wellenleiter 12–14. In 3 stellen die aus durchgezogenen Linien gebildeten Pfeile Strahlen von Streulicht im MIOC 70 dar. Die gestrichelten Pfeile stellen die Wege dar, denen auf die Seitenfläche 82 des Grabens 74 einfallenden Strahlen gefolgt wären, wenn sie nicht durch den Graben 74 blockiert worden wäre.
Die Pfeile 84 und 85 stellen Licht dar, das an der Eingangsfacette 86 durch Streuung in den MIOC 70 abgelenkt wird. Der Strahl 84 folgt einem Weg, auf dem er die Ausgangsfacette 88 nach einer einfachen Reflexion an der Bodenfläche 80 erreichen würde, wenn der Strahl nicht durch den Graben 74 blockiert würde. Der Pfeil 85 stellt einen Weg mit dreimaliger Reflexion dar, der zur Ausgangsfacette 88 führen würde, gäbe es nicht die blockierende Wirkung des Grabens 74.
Die Pfeile 90 und 92 stellen Lichtstrahlen dar, die von einer Streuquelle 94 in den optischen Wellenleitern 12, 13, 14 oder der Y-Verzweigung 20 in den MIOC 70 eintreten. Diese Stahlen werden durch den Graben 74 blockiert, würden aber nicht durch die Gräben in den oben beschriebenen Vorrichtungen nach Stand der Technik blockiert werden.
Die Pfeile 100–102 stellen noch andere Lichtstrahlen dar, die von einer anderen Streuquelle 104 kommend in den MIOC 70 eintreten. Nur Strahlen, die über dem inneren Ende 108 des Grabens 74 laufen, können die Ausgänge des MIOC 70 erreichen.
4 und 5 stellen einen Vergleich zwischen den Dicken des typischen MIOC 10 mit Gräben nach Stand der Technik und des MIOC 70 an den dünnsten Abschnitten dar. Wegen der Abdeckschicht 78 beträgt die Dicke t₁ des MIOC 70 dort, wo der Graben 74 ausgebildet ist, ungefähr 1050 bis 1300 μm. Im Gegensatz dazu ist die Dicke t₂ des MIOC 10 nach Stand der Technik normalerweise ungefähr 700–950 μm. Die größere Dicke des MIOC 70 macht ihn mechanisch stabiler als die Vorrichtung nach Stand der Technik.
6A ist eine Seitenrißansicht eines MIOC 120, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Wie in 3 weist auch der MIOC 120 in 6A einen zentralen Graben 122 im Substrat 72 des MIOC 120 unter den optischen Wellenleitern 12–14 auf, wie oben mit Bezug auf 1A beschrieben. Wie in 6A und 6B dargestellt, weist der MIOC 120 auch eine Nut 126 auf, die in einer Seitenfläche 128 des MIOC 120 ausgebildet ist. Die Seitennut 126 erstreckt sich sowohl über das Substrat 72 als auch die Seitenfläche der Abdeckung 78. Der Bodengraben 122 hat eine Tiefe von ungefähr 700 bis 950 μm. Die Seitennut 126 erstreckt sich ungefähr 50–500 μm in das Substrat 72, wobei sie die gesamte Höhe des MIOC 120 durchquert.
7 ist eine Draufsicht, die einen MIOC 140 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, der einen zentralen Bodengraben 142 und eine Vielzahl von in einer Seitenfläche 141 ausgebildeten Nuten 143-144 hat. Der Graben 142 ist ähnlich dem in 6 dargestellten Graben 122. Die Seitennuten blockieren Strahlen, die von den Seitenflächen des MIOC 140 reflektiert werden. Zum Beispiel wird ein Strahl 145 von der Eingangs-Anschlußfaser 32 durch die Seitennut 143 blockiert. Ein Strahl 147, der die Seitennut 143 verfehlt, wird durch die Seitennut 144 blockiert. Ein Strahl 149 wird durch die Schräge 148 blockiert. Der MIOC 140 kann auch eine oder mehrere Schrägen 148 aufweisen. Die Schrägen 148 werden ausgebildet, indem eine Nut mit "V"-förmigem Querschnitt in den Oberflächen des MIOC 140 ausgebildet wird. Die seitlichen Abschrägungen oder Gräben und die Bodengräben können auf der gleichen Ebene liegen oder auch nicht. Verschiedene Positionen erfordern verschiedene Breite und Tiefen der Seiten- und Bodengräben. Die bevorzugten Positionen für Seiten- und Bodengräben hängen von der Länge, Breite und Dicke des IOC-Aufbaus ab.
8 ist eine Draufsicht des Substrats 72, auf dem die optischen Wellenleiter 12–14 (in 8 nicht dargestellt) ausgebildet sind. 8 stellt eine Elektrodenanordnung 150 dar, die für die Verwendung mit einem gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten MIOC geeignet ist. Elektrodenflächen 152 und 154 erstrecken sich zu einer Kante 156 des Substrats. 9 ist eine Seitenansicht, die elektrische Kontakte 158 und 160 darstellt, die so angeordnet sind, daß die Elektrodenanordnung 150 durch den Klebfilm 162 zwischen dem Substrat 72 und der Abdeckung 78 ansprechbar sind.
Es ist nachgewiesen worden, daß elektrische Ansprechbarkeit der Vorrichtung durch die mit Einschnitten versehene Seite des Chips möglich ist, wenn er zurechtgeschnitten wird, nachdem die Chiptrennung erfolgt, nachdem die volle Abdeckung 78 angefügt worden ist. Dies ergibt den zusätzlichen Vorteil, daß Oberflächenkontamination des integrierten optischen Chips verhindert wird, und es verhindert elektrische Entladungen über seine Oberfläche, wenn das nichtleitende Epoxidharz an der Schnittstelle verwendet wird, wie es derzeit mit den Füßen getan wird. Dieses Verfahren kann bei anderen integrierten optischen Vorrichtungen genutzt werden, wo Polarisations-Kreuzkopplung, PNR, Kontamination oder die Festigkeit der Vorrichtung von Belang sind.
Ein wichtiges Merkmal der Ausführung gemäß dieser Erfindung ist die extreme Tiefe des Grabens. Die Gräben in den MIOCs gemäß der vorliegenden Erfindung sind ungefähr 700–950 μm tief, was der Struktur der optischen Wellenleiter nahekommt. Die Gesamttiefe der Vorrichtung ohne die Abdeckung ist 1000 μm. Diese Ausführung mit tiefem Graben blockiert viel mehr Reflexionen als die typischen 50–300 μm tiefen Gräben, die derzeit in Verwendung sind. Würde der Fuß nicht die gesamte Länge des Chips einnehmen, wäre diese Ausführung nicht möglich, da der entstehende Chip so zerbrechlich wäre, daß er den Handhabungs-, Temperatur-, mechanischen Erschütterungs- oder Vibrationsanforderungen nicht standhalten würde.
10 stellt die Auswirkung eines 950 μm tiefen Grabens auf das Extinktionsverhältnis des MIOC 70 aus 3 grafisch dar. Das obere Diagramm stellt das Basislinien-Extinktionsverhältnis eines herkömmlichen MIOC dar, der keinen Graben hat. Das Basislinien-Extinktionsverhältnis ist, wie man sieht, ungefähr –58 dB. Von den beiden unteren Linien stellt der dunkellinige Graph das Extinktionsverhältnis des MIOC 70 dar, wobei der Graben 74 mit Tusche gefüllt ist. Die hellere Linie stellt das Extinktionsverhältnis des MIOC 70 dar, wobei dem Graben 74 keinerlei absorbierendes Material hinzugefügt wurde. Das Extinktionsverhältnis verbessert sich auf ungefähr –74 dB für den mit Tusche gefüllten 950 μm tiefen Graben 74 und auf ungefähr –73 dB für den Graben 74 allein.
11 stellt die Auswirkung zunehmender Grabentiefe auf das Extinktionsverhältnis grafisch dar. Das Basislinien-Extinktionsverhältnis beträgt ungefähr –57 dB für einen einzelnen Graben mit einer Tiefe von 200 μm. Das Extinktionsverhältnis verbessert sich auf ungefähr -58 dB, wenn die Grabentiefe auf 700 μm erhöht wird. Die Erhöhung der Grabentiefe auf 800 um führte zu einer weiteren kleinen Verbesserung auf ungefähr –59 dB. Bei einer Grabentiefe von 950 μm gibt es eine dramatische Verbesserung des Extinktionsverhältnisses auf ungefähr –76 dB.
12 stellt die Auswirkung eines einzelnen gegenüber mehreren Gräben mit einer Tiefe von 750 μm grafisch dar. Der Chip hat anfangs ein Polarisations-Extinktionsverhältnis von -58 dB. Das Hinzufügen eines einzelnen zentralen Grabens von 750 μm Tiefe verbesserte das Polarisations-Extinktionsverhältnis auf –74 dB. Zwei zusätzliche Gräben setzten das Polarisations-Extinktionsverhältnis auf –62 dB herab.
Die hier offenbarten Strukturen und Verfahren stellen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne von ihren wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen haben in jeder Hinsicht exemplarischen und darstellenden und keinen einschränkenden Charakter. Deshalb definieren die beigefügten Ansprüche und nicht die vorstehende Beschreibung den Schutzbereich der Erfindung. Alle Modifikationen der hier beschriebenen Ausführungsformen, die im Bedeutungs- und Äquivalenzbereich der Ansprüche liegen, sind in den Schutzbereich der Erfindung eingeschlossen.

Claims

Integrierter optischer Chip (70) mit: einem Substrat (72), das aus einem elektrooptisch aktiven Material besteht; einem optischen Wellenleiternetzwerk (11), das auf einer oberen Fläche (106) des Substrats (72) ausgebildet ist, wobei das optische Wellenleiternetzwerk (11) eine Eingangsfacette (86), wo ein optisches Signal in das optische Wellenleiternetzwerk (11) eingegeben werden kann, und eine Ausgangsfacette (88), wo optische Signale vom optischen Wellenleiternetzwerk (11) ausgegeben werden können, aufweist; und wobei das Substrat (72) einen Graben (74) aufweist, der in der Bodenfläche (80) ausgebildet ist und sich in Richtung des optischen Wellenleiternetzwerks (11) in das Substrat (72) erstreckt; wobei der integrierte optische Chip (70) ferner eine Abdeckung (78) aufweist, die auf der oberen Fläche (106) des Substrats (72) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß: der integrierte optische Chip (70) ferner eine Nut (126) aufweist, die in einer Seitenfläche (128) des Substrats (72) und der Abdeckung (78) ausgebildet ist; und der Graben (74) sich in das Substrat (72) bis zu einer Tiefe von mindestens 70% seiner Dicke erstreckt, wodurch der Graben (74) verhindert, daß dort einfallende Lichtstrahlen aus dem Inneren des Substrats (72) sich zur Ausgangsfacette (88) ausbreiten.
Integrierter optischer Chip (70) nach Anspruch 1, wobei der Graben (74) senkrecht zur Bodenfläche (80) des Substrats (72) verläuft und entlang ihrer Länge zentriert ist.
Integrierter optischer Chip (70) nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von Gräben (74), die in der Bodenfläche (80) ausgebildet sind und sich bis zu einer Tiefe von mindestens 70% der Dicke in Richtung des optischen Wellenleiternetzwerks (11) in das Substrat (72) erstrecken.
Integrierter optischer Chip (70) nach Anspruch 1, ferner mit einer Vielzahl von Nuten (143, 144), die in einer Seitenfläche (141) des Substrats (72) und der Abdeckung (78) gegenüber der Seitenfläche (128) ausgebildet sind.
Integrierter optischer Chip (70) nach Anspruch 1, der ferner ein lichtabsorbierendes Material (75) im Graben (74) aufweist.
Integrierter optischer Chip (70) nach Anspruch 1, ferner mit: einer Vielzahl von Elektroden (150), die auf der oberen Fläche des Substrats (72) angrenzend an das optische Wellenleiternetzwerk (11) ausgebildet sind; und einer Vielzahl von Zugangselektroden (158, 160), die auf den Seiten des Substrats (72) und der Abdeckung (78) ausgebildet sind, um den Elektroden (150) elektrische Signale zuzuführen.