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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein photonische Bauelemente
und spezieller photonische Bauelemente, wie sie in der optischen
und optoelektronischen Datenverarbeitung genutzt werden und wie
sie zum Übertragen
und Speichern von optischen Signalen genutzt werden.
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Mit
steigenden Datendichten und ständig steigenden Übertragungsraten
für datentragende
Signale kommt optischen und optoelektronischen Bauelementen, d.
h. Bauelementen, die mit Photonen Wechselwirken, starkes Interesse
zu. In vielen Fällen mussten
und müssen
für unterschiedliche
Anwendungen jedoch unterschiedliche Materialien verwendet werden.
Oft ist es schwierig, diese unterschiedlichen Materialien zu verbinden,
ohne eine Reflexion und Absorption einzutragen oder ohne Streulichtzentren
zu erzeugen. Aus diesen schädlichen
Effekten resultieren nicht nur Dämpfungen,
sondern auch eine Reduktion der Bitfehlerrate oder ein reduziertes
Signal-zu-Rausch-Verhältnis
für die
datentragenden optischen Signale. Darüber hinaus kann es passieren, falls
Streulicht in ein verstärkendes
System zurückgekoppelt
wird, dass basierend auf den Verstärkungscharakteristika dieses
Systems störende Rauschsignale
mit schädlichen
Intensitäten
erzeugt werden, welche oft die Verstärkungseigenschaften für andere
Signale mindern.
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Die
US 5,846,638 offenbart ein
Verfahren zum Ausbilden defektfreier, dauerhafter Verbindungen ohne
die Verwendung von Klebstoffen, sowie Bauelemente, die durch dieses
Verfahren ausgebildet werden. Der Prozess, wie er darin offenbart
ist, ermöglicht
es, ähnliche
oder unähnliche
kristalline, glasartige oder dichte polykristalline keramische,
metallische oder organisch-polymere Komponenten zunächst durch
optische Kontaktierung zu verbinden und dann mit Wärme zu behandeln,
um die Verbindung zu stabilisieren. Die Wärmebehandlung kann bei einer
ausreichend niedrigen Temperatur ausgeführt werden, um eine Interdiffusion
zwischen Spezien zu verhindern, sodass sichergestellt wird, dass
die Bindung nicht übermäßigen mechanischen
Spannungen unterliegt und dass die Materialien keine Phasenänderungen
durchlaufen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen
Probleme zu mindern und photonische Bauelemente zur Verfügung zu
stellen, die für
eine Mehrzahl von Anwendungen angepasst sind, und zwar basierend
auf bevorzugten Kombinationen von Materialien, die charakteristische Vorteile
aufweisen, ohne dass unerwünschtes Übersprechen
oder andere Effekte eingetragen werden, die einen negativen Einfluss
auf die Qualität
der optischen Signale haben.
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Diese
Aufgabe wird in einer überraschend einfachen
Weise mit einem photonischen Bauelement gelöst, wie es in Anspruch 1 definiert
ist. Ein Bondingbereich stellt einen Bereich dar, in welchem zwei
Oberflächen
miteinander verbunden werden, d. h. wo zumindest mechanische Kräfte bis
zu einem gewissen Grade von einer Oberfläche auf die andere Oberfläche übertragen
werden, ohne dass die Oberflächen
voneinander getrennt werden.
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Ein
Niedertemperatur-Bondingverfahren zum Verbinden zweier zusammenpassender
Glasstücke
mit Hilfe einer wässrigen
Natriumsilikatlösung ist
außerdem
aus der
WO 97/43117 bekannt.
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Zum
Erzeugen eines Bondingbereichs für photonische
Bauelemente sind dem Fachmann eine Mehrzahl von unterschiedlichen,
zumindest teilweise transparenten Klebstoffen, Epoxidharzen, Zementen, Acrylaten
und dergleichen bekannt, die zu diesem Zweck in bekannter Weise
einfach anzuwenden sind.
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Ein
Niedertemperatur-Bondingbereich ist gemäß der vorliegenden Erfindung
als ein Bereich definiert, in welchem eine Oberfläche zumindest
eines ersten Materials oder Artikels mit einer Oberfläche eines
zweiten Materials oder Artikels verbunden oder gebondet ist, und
zwar mit Hilfe eines Niedertemperatur-Bondingprozesses oder -Verfahrens
wie beispielsweise Prozessen und Verfahren, die detaillierter in
der US-Patentanmeldung "Low
Temperature Joining of Phosphate Glass" definiert sind, welche am 01. November
1999 eingereicht worden ist, mit der Nr.
09/430,885 . Das Verbinden weiterer
Materialien, d. h. das Verbinden und Bonden solcher Materialien
wie Oxidgläser,
SiO
2-Gläser,
insbesondere dotierter SiO
2-Gläser, mehrfach
beschichteter Gläser, Fluoridgläser, Chalkogenidgläser, das
Verbinden von Kristallen, insbesondere von LiNbO
3-Kristallen,
Halbleitern, insbesondere solchen Halbleitern wie GaAs, InP, GaAsP,
GaAlAs, Si, und das Verbinden gemischter Kombinationen der vorstehend
erwähnten
Materialien ist detaillierter in "Low Temperature Joining of Phosphate
Glass" beschrieben,
eingereicht beim Patent- und Markenamt der Vereinigten Staaten am gleichen
Tag wie die vorliegende Anmeldung, wobei es sich um eine Teilfortsetzungsanmeldung
(CIP-Anmeldung) der vorstehend zitierten US-Anmeldung "Low Temperature Joining
of Phosphate Glass",
eingereicht am 01. November 1999, Nr.
09/430,885 , handelt.
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Das
Verbinden zweier Wellenleitermaterialien durch herkömmliche
Verfahren ist zeitaufwendig und daher teuer. Gemäß einem üblichen Verarbeitungsverfahren
entsprechend dem Stand der Technik mussten in einem ersten Schritt
die beiden zu verbindenden Bauelemente einem Wellenleiter-Strukturierungsprozess
unterzogen werden. Erst in einem zweiten Schritt wurden die beiden
Bauelemente verbunden. Daher musste die Ausrichtung der beiden Wellenleiterstrukturen
bis dato mit einer sehr hohen Genauigkeit erfolgen. Darüber hinaus
besteht ein weiterer Nachteil des herkömmlichen Verfahrens darin,
dass jedes Bauelement separat verbunden werden musste.
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Der
Niedertemperatur-Bondingprozess, wie er vorliegend genutzt wird,
ermöglicht
jedoch eine kosteneffiziente Massenproduktion: Die Substrate werden
in großen
Blöcken
verbunden und werden später
in einzelne Teile getrennt. Die Wellenleiter werden danach in den
bereits verbundenen Substraten realisiert. Daher ist eine Ausrichtung
der Wellenleiter in einem photonischen Bauelement entsprechend der
Erfindung nicht notwendig.
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Ein
noch weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Niedertemperatur-Bondingprozesses
liegt in einer verbesserten Zuverlässigkeit und Lebensdauer der
gebondeten Bauelemente im Vergleich zu beispielsweise Epoxidverbindungen.
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Bei
der Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe
Photon und Licht im Wesentlichen für die gleichen physikalisch
zugrunde liegenden Effekte der Erzeugung, des Transports und der
Absorption von elektromagnetischer Energie genutzt, ein eher photonischer
Charakter zeigt sich im Allgemeinen jedoch, und dann wird der Begriff
Photon genutzt, wenn sehr geringe Intensitäten diskutiert werden oder
wenn Absorptions- oder Erzeugungs- oder Emissionseffekte stattfinden,
wogegen Licht als ein eher geeigneter Ausdruck für große Mengen an Photonen erscheint,
bei welchen Intensitätsschwankungen
von geringerem Interesse sind oder wenn Interferenz, Beugung und
Brechung vorherrschende Effekte darstellen.
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Basierend
auf den vorstehend zitierten Verbindungsprozessen und -verfahren
sind in dem Niedertemperatur-Bondingbereich
die erste Fläche
und die zweite Fläche
mechanisch und optisch mit sehr geringen Dämpfungen verbunden und es werden
im Wesentlichen keine Streulichtzentren oder Reflexionen in den
Ausbreitungspfad der Photonen, welcher diesen Niedertemperatur-Bondingbereich
kreuzt, eingetragen.
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Entsprechend
dem weitgefassten Hauptinhalt der Erfindung umfasst die Wechselwirkung
mit Photonen einen oder mehrere Wechselwirkungstypen aus einer Gruppe
von Wechselwirkungen, welche die Übertragung von Photonen, Reflexion
von Photonen, Führen
von Photonen, Absorption von Photonen, Erzeugung von Photonen, Emission
von Photonen, Beugung von Photonen, Brechung von Photonen, Überlagerung
von Photonen und Erzeugung von Photoneninterferenz umfasst.
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Basierend
auf der breiten Anwendbarkeit der Niedertemperatur-Bondingprozesse
und -verfahren können
viele unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden,
um optimale Eigenschaften für
unterschiedliche Anwendungen zu erzielen. Folglich weist für viele
Anwendungen das erste Material zumindest einen Abschnitt auf, in
dem sich der Brechungsindex von einem Brechungsindex zumindest eines
Abschnitts des zweiten Materials unterscheidet.
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Wenn
das photonische Bauelement einen Wellenleiter umfasst, der in einem
Oberflächenbereich
des ersten Materials definiert ist, und der Wellenleiter durch das
zweite Material abgedeckt wird, kann entsprechend der Erfindung
eine im Wesentlichen unbeschränkte
Vielzahl von zweidimensionalen Wellenleiterstrukturen erzielt werden
und mit Hilfe einer solchen Struktur können unterschiedliche optische
Bauelemente verbunden werden. Folglich wird ein im Wesentlichen
zweidimensionaler optischer Chip definiert, wenn es geeignet ist,
auf zweidimensionale Wellenleiterstrukturen zurückzugreifen, um aktive und/oder
passive optische Komponenten zu verbinden.
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Basierend
auf einem Prozess, der detaillierter beschrieben ist in "Three-dimensional
microscopic modifications in glasses by a femtosecond laser", SPIE-Konferenz zu Laseranwendungen
in der Mikroelektronik und optoelektronischen Fertigung IV, San Jose,
Kalifornien, Januar 1999, SPIE Bd. 3618, S. 307 bis 317, werden
Wellenleiter in Bereichen des Bulkmaterials definiert, das dafür ausgelegt
ist, wie vorstehend angegeben, zwei dimensionale Wellenleiterstrukturen
zu verbinden. Es ist deutlich, dass somit ein im Wesentlichen dreidimensionaler
optischer Chip definiert wird, wobei Wellenleiter aktive und/oder
passive optische Komponenten verbinden.
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Wenn
darüber
hinaus eine zweidimensionale Wellenleiterstruktur an ihrer Oberfläche mit
aktiven und passiven optischen Elementen verbunden wird, wird eine
optische Schaltung für
Oberflächenmontage
realisiert und es sind in breitem Maße Montage- und Zusammenfügungsverfahren
anwendbar, wie sie aus der Elektronik- und Halbleiterindustrie bekannt sind.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform stellt
das photonische Bauelement einen Sender dar, und der erste Abschnitt
umfasst eine Lichtquelle und der zweite Abschnitt umfasst einen
Strahlteiler zum Aufspalten eines Ausbreitungspfades für Photonen, die
von der Lichtquelle emittiert werden, in eine Mehrzahl von Ausbreitungspfade.
Vorteilhafterweise ist ein Modulator mit dem Strahlteiler verbunden,
um eine Phase der über
den Modulator übertragenen Photonen
derart zu modulieren, dass eine Amplituden- oder Intensitätsmodulation
und eine zusätzliche Modulation
der optischen Phase des Signals erreicht werden kann.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
stellt das photonische Bauelement einen Verstärker dar, und der erste Abschnitt
umfasst einen wellenlängenabhängigen Strahlteiler,
der unterschiedliche Wellenlängen
auf unterschiedliche Ausbreitungspfade aufteilt, und der zweite
Abschnitt umfasst ein verstärkendes
Material für
zumindest eine der Wellenlängen,
die einem der Ausbreitungspfade des wellenlängenabhängigen Strahlteilers zugeordnet
ist.
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Es
wird ein Ultrabreitbandverstärker
bereitgestellt, der eine extrem breite spektrale Verstärkung aufweist,
wenn der wellenlängenabhängige Strahlteiler
Licht in eine Mehrzahl von unterschiedlichen Wellenlängen aufteilt
und jede der unterschiedlichen Wellenlängen einem unterschiedlichen Ausbreitungspfad
zugeordnet wird und der zweite Abschnitt eine Mehrzahl von Abschnitten
umfasst, die ein Verstärkungsmaterial
umfassen, das zumindest einer der Wellenlängen zugeordnet ist. Vorzugsweise
enthält
jeder der Abschnitte, die ein verstärkendes Material umfassen,
einen Dotierstoff, welcher ein Seltenerdelement darstellt, das in
seiner Verstärkungscharakteristik
auf die zugeordnete Wellenlänge
angepasst ist, zum Verstärken
von Licht der zugeordneten Wellenlänge.
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Bei
einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt der Strahlteiler
ein Arrayed-Waveguide-Grating (AWG) dar und spaltet Licht in Übertragungsbänder auf,
die im Wesentlichen bei 1,3 μm; 1,4 μm und 1,5 μm zentriert
sind, wobei das Übertragungsband
bei 1,3 μm
einem praseodymdotierten Chalkogenidglas zugeordnet ist und die
zugeordnete Diodenlaser-Lichtquelle Pumplicht-Wellenlängen aufweist,
die bei etwa 1020 nm zentriert sind, das Übertragungsband bei 1,4 μm einem Tm-dotierten Fluoridglas
zugeordnet ist und die zugehörige
Diodenlaser-Lichtquelle Pumplicht-Wellenlängen zentriert um etwa 800
nm aufweist und das Übertragungsband
bei 1,5 μm
einem mit Erbium dotierten Phosphatglas zugeordnet ist und die zugehörige Diodenlaser-Lichtquelle
Pumplicht-Wellenlängen zentriert
um etwa 980 nm aufweist.
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Bei
einer weiteren alternativen, bevorzugten Ausführungsform stellt das photonische
Bauelement einen Verstärker
dar, der eine Mehrzahl von Verstärkungsabschnitten
aufweist, die verstärkendes
Material umfassen und in einer Lichtausbreitungsrichtung hintereinander
angeordnet sind, und dabei umfasst der erste Abschnitt einen ersten
Verstärkungsabschnitt
und der zweite Abschnitt umfasst einen zweiten Verstärkungsabschnitt.
Es ist deutlich, dass auch bei dieser Ausführungsform die mehreren Verstärkungsabschnitte
eine spektrale Gesamtverstärkung mit
einer erhöhten
Verstärkung über ein
ausgedehntes Wellenlängenintervall
hin definieren, und zwar mit einer verbesserten Abflachung der Verstärkung im Vergleich
zu einem der Verstärkungsabschnitte.
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Bei
einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt das photonische
Bauelement einen Empfänger
dar, der erste Abschnitt umfasst einen Photodetektor und der zweite
Abschnitt umfasst zumindest einen Wellenleiter zum Leiten von Photonen zu
dem Photodetektor.
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Wenn
der zweite Abschnitt ein lichtverstärkendes Material zur Verstärkung von
Photonen umfasst, die sich in dem Wellenleiter ausbreiten, können auch
Signale mit geringer Intensität
mit einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis erfasst werden. Vorteilhafterweise
umfasst das verstärkende
Material einen Seltenerd-Dotierstoff, der durch eine Lichtquelle
optisch gepumpt wird.
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Bei
einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt das photonische
Bauelement einen optischen Abzweigmultiplexer dar und der erste
Abschnitt umfasst einen Demultiplexer zum Entmultiplexen von Licht
auf eine Mehrzahl von Ausbreitungswegen und der zweite Abschnitt
umfasst ein optisches Schaltmittel zum Umschalten zwischen Licht
von dem Multiplexer und eingekoppeltem Licht, wobei der zweite Abschnitt
mit einem Multiplexerabschnitt zum Multiplexen von Licht von einer
Mehrzahl von Ausbreitungswegen auf einen einzigen Ausbreitungsweg verbunden
ist.
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Vorteilshafterweise
umfasst das Schaltmittel Mach-Zehnder-Interferometer
für eine
im Wesentlichen absorptionsfreie Umschaltung der Ausbreitungsrichtung
der Photonen auf Grundlage einer Änderung der optischen Weglänge in zumindest
einem der Arme des Mach-Zehnder-Interferometers.
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Sehr
haltbare und zuverlässige
photonische Bauelemente werden bereitgestellt, wenn die Änderung
der optischen Weglänge
des zumindest einen Arms des Mach-Zehnder-Interferometers thermooptisch eingebracht
wird. Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen wird die Änderung
der optischen Weglänge
des zumindest einen Arms des Mach-Zehnder-Interferometers elektrooptisch eingebracht.
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Bei
einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das photonische
Bauelement zumindest einen ersten Wellenleiter in dem ersten Abschnitt
auf, der ein Material mit einem Brechungsindex n1 mit
einem positiven Temperaturkoeffizienten ∂n1/∂T umfasst,
und dabei umfasst zumindest ein zweiter Wellenleiter in dem zweiten
Abschnitt ein Material mit einem Brechungsindex n2 mit
einem negativen Temperaturkoeffizienten ∂n2/∂T, wobei
der erste und der zweite Wellenleiter optisch miteinander verbunden
sind, wobei eine vorgegebene Temperaturabhängigkeit des gesamten oder
effektiven Brechungsindex erzielt werden kann. Bei einer am stärksten bevorzugten
Ausführungsform
ist ein Temperaturkoeffizient für
einen gesamten oder effektiven Brechungsindex, den ein Photon erfährt, das
sich durch den ersten und den zweiten Wellenleiter hindurch ausbreitet,
im Wesentlichen temperaturunabhängig.
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Bei
einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt das photonische
Bauelement einen Multiplexer/Demultiplexer dar, der eine Mehrzahl
erster Wellenleiter, eine Mehrzahl zweiter Wellenleiter und eine
Mehrzahl dritter Wellenleiter umfasst und einen im Wesentlichen
temperaturunabhängigen
Brechungsindex aufweist.
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Die
Erfindung wird nachstehend detaillierter und basierend auf bevorzugten
Ausführungsformen beschrieben,
und es wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
genommen, in welchen:
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1 ein
bevorzugtes Prozessschema für einen
Niedertemperatur-Bondingprozess zur Vorbereitung und Herstellung
der erfindungsgemäßen photonischen
Bauelemente zeigt;
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2 eine
erste, nicht durch die Ansprüche abgedeckte
Ausführungsform
eines photonischen Bauelements zeigt, das eine zweidimensionale
Wellenleiterstruktur darstellt, welche die Prinzipien der Erfindung
veranschaulicht;
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3 eine
zweite Ausführungsform
eines photonischen Bauelements zeigt, das eine dreidimensionale
Wellenleiterstruktur darstellt;
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4 unterschiedliche
Querschnitte einer dreidimensionalen Wellenleiterstruktur zeigt,
wie sie in 3 angegeben ist;
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5 eine
dritte Ausführungsform
eines photonischen Bauelements zeigt, das einen Sender darstellt,
der eine Multiwellenlängen-Lichtquelle
basierend auf einem mit einer Laserdiode gepumpten Glas, einen Modulator
und einen optischen Verstärker
umfasst;
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6 zeigt
eine vierte Ausführungsform
eines photonischen Bauelements, das einen Ultrabreitbandverstärker darstellt;
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7 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform
eines photonischen Bauelements, das einen Hybridbreitbandverstärker mit
abgeflachter Verstärkung darstellt;
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8 zeigt
spektrale Verstärkungskennlinien
für einen
Hybridverstärker
mit abgeflachtem Verstärkungsprofil,
wie er in 6 dargestellt ist;
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9 zeigt
eine sechste Ausführungsform eines
photonischen Bauelements, das einen Empfänger darstellt, kaskadiert
mit abstimmbaren optischen Einzelkanalverstärkern;
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10 zeigt
eine siebente Ausführungsform eines
photonischen Bauelements, das einen optischen Abzweigmultiplexer
darstellt;
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11 zeigt
eine achte Ausführungsform
eines photonischen Bauelements, das ein Arrayed-Waveguide-Grating
(AWG) mit einer kompensierten Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex darstellt;
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12a zeigt Änderungen
des Temperaturkoeffizienten des absoluten Brechungsindex in Abhängigkeit
von der Temperatur für
unterschiedliche Gläser
bei einer Wellenlänge
von ungefähr
435,8 nm;
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12b zeigt Änderungen
des Temperaturkoeffizienten des absoluten Brechungsindex in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
für unterschiedliche Gläser bei
einer Temperatur von 20 °C;
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13a zeigt Änderungen
des Temperaturkoeffizienten des absoluten Brechungsindex in Abhängigkeit
von der Temperatur und den Wellenlängen für ein spezifisches transparentes
Material;
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13b zeigt Änderungen
des Temperaturkoeffizienten des absoluten Brechungsindex in Abhängigkeit
von der Temperatur und den Wellenlängen für ein weiteres spezifisches
transparentes Material.
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Der
Deutlichkeit halber und zum besseren Verständnis der Erfindung stellen
die hier beigefügten
Zeichnungen lediglich schematische Darstellungen der bevorzugten
Ausführungsformen
und bestimmter Charakteristika derselben dar, sind jedoch nicht
maßstabsgerecht
gezeichnet.
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1 stellt
den Niedertemperatur-Bondingprozess dar, wie er beispielsweise zur
Herstellung von photonischen Bauelementen genutzt wird. In einem
ersten Schritt werden polierte Oberflächen zweier unterschiedlicher
Glasblöcke
a und b mit einer speziell angepassten Lösung miteinander verbunden.
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In
einem zweiten Schritt werden die verbundenen Blöcke a, b einem aufgebrachten
erhöhten Druck
und einer Niedertemperatur-Aushärtung
ausgesetzt.
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In
Schritt drei werden die Blöcke
a, b in einzelne Substrate geschnitten.
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Schritt
vier stellt die Realisierung von Wellenleitern dar. Ein Fachmann
auf dem Gebiet wird wissen, wie Wellenleiter in unterschiedlichen
Wirtsmaterialien herzustellen sind, beispielsweise durch Ionendiffusion,
Innenaustausch oder photoinduzierte Änderung des Brechungsindex,
Belichtung mit Ultraviolett(UV)-Licht, Belichtung mit einem Femtosekundenlaser
und Interferenzverfahren.
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Es
wird nun Bezug auf 2 genommen, welche ein photonisches
Bauelement 1 zeigt, das die Prinzipien der Erfindung veranschaulicht,
wobei es eine zweidimensionale Wellenleiterstruktur darstellt und
eine Basis für
zweidimensionale optische Leitungen als integrierte optische zweidimensionale
Strukturen bietet.
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In
einem optischen Substrat 2 mit einer im Wesentlichen ebenen
Oberseite 3 ist in einer dem Fachmann bekannten Weise ein
Wellenleiter 4 definiert. Das optische Substrat 2 besteht
aus einem Oxidglas, vorzugsweise einem SiO2-Glas
oder einem dotierten SiO2-Glas. Für spezielle
Anwendungen besteht das optische Substrat 2 alternativ
aus einem oder umfasst ein Silikatglas oder andere Oxidgläser, ein
Fluoridglas, ein Chalkogenidglas oder besteht aus einem Kristall,
insbesondere einem LiNbO3-Kristall, falls
eine elektrooptische Modulation oder ein elektrooptisches Schalten
beabsichtigt sind. Das optische Substrat 2 umfasst ein
Halbleitermaterial, insbesondere Halbleiter wie GaAs, InP, GaAsP,
GaAlAs, Si und Kombinationen dieser, falls spezielle Übertragungs-
und Brechungseigenschaften oder eine photonische Wechselwirkung
wie bei Lichtquellen und Photodetektoren erforderlich ist oder für bestimmte Anwendungen
vorteilhaft ist, wie nachstehend detaillierter anhand von bevorzugten
Ausführungsformen erklärt wird.
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Der
Wellenleiter 4 wird in dem optischen Substrat mit Hilfe
allgemein bekannter Wellenleiter-Ausbildungsverfahren wie Ionendiffusion,
UV-Belichtung oder Ionendiffusionsverfahren definiert, bei denen
vorzugsweise zweidimensionale Maskengestaltungen genutzt werden.
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Das
optische Substrat 2 und der Wellenleiter 4 definieren
einen ersten Abschnitt, der ein Material umfasst, welches dafür ausgelegt
ist, mit Photonen wechselzuwirken, und zwar mit einer lichtleitenden Wechselwirkung
im Hinblick auf die Ausbreitung der Photonen entlang des Wellenleiters 4.
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Das
optische Substrat 2 ist durch ein weiteres Material abgedeckt,
welches einen zweiten Abschnitt 5 definiert, wobei das
weitere Material ebenfalls dafür
ausgelegt ist, mit Photonen wechselzuwirken. Im Falle einer Wellenleiterstruktur
stellt der zweite Abschnitt 5 aus 1 vorzugsweise
ein Bulkmaterial dar, das ungefähr
den gleichen Brechungsindex wie das Material in dem Abschnitt 2 aufweist
und eine obere Ummantelung für
Lichtleitzwecke an der Position des Wellenleiters 4 bereitstellt.
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Allgemein
ausgedrückt
umfasst eine Wechselwirkung mit Photonen jedenfalls jede Wechselwirkung
von Licht mit Material oder von Licht mit Licht in einem Material
oder in elektrischen oder magnetischen Feldern oder eine Temperatur
in einem Material sowie Licht, das sich in diesem Material ausbreitet
oder in diesem erzeugt oder absorbiert wird. Eine Wechselwirkung
mit Photonen umfasst speziell einen oder mehrere Wechselwirkungstypen
aus der Gruppe von Wechselwirkungen, bestehend aus Übertragung
von Photonen, Reflexion von Photonen, Absorption von Photonen, Erzeugung
von Photonen, Emission von Photonen, Wellenlängenumwandlung von Photonen,
Führen
von Photonen, Beugung von Photonen, Brechung von Photonen, Überlagerung von
Photonen und Erzeugen einer Photoneninterferenz, lineare, elliptische
und zirkulare Polarisation von Photonen.
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Bei
dem Bauelement aus 2 liegen die Oberseite 3 des
optischen Substrats 2 und die Unterseite 6 des
oberen Abschnitts 5 aneinander an und definieren in engem
Kontakt befindliche Oberflächenbereiche.
Zumindest ein Teil der Oberflächenbereiche,
der die Oberseite des Wellenleiters 4 darstellt, befindet
sich in engem Kontakt und ist durch einen Niedertemperatur-Bondingprozess
verbunden und definiert folglich einen Niedertemperatur-Bondingbereich.
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Alternativ
sind die Oberseite 3 des optischen Substrats 2 oder
die Unterseite 6 des zweiten Abschnitts 5 oder
beide Oberflächen
beschichtet oder strukturiert, falls dies für Lichtleitzwecke erforderlich oder
beabsichtigt ist.
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Eine
Beschichtung mit einem hohen Reflexionsvermögen unterstützt das Führen von Photonen in dem Wellenleiter 4.
Eine Antireflexbeschichtung auf der Unterseite 6 unterstützt das
Eindringen von Photonen in den zweiten Abschnitt 5, wobei
diese zumindest in einen Grenzbereich an der durch die Oberflächen 3 und 6 definierten
Grenzfläche
eindringen, wobei die Photonen dann ein evaneszentes Feld erzeugen,
das zur Wechselwirkung mit dem Material des zweiten Abschnitts 5 angepasst
ist.
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Eine
Beschichtung kann außerdem
verwendet werden, um die mechanische Festigkeit der Niedertemperaturverbindung
zu erhöhen
oder um zusätzliche
Spezies in die Grenzfläche
oder den Grenzbereich einzubringen, wie z. B. laseraktive Substanzen
wie Seltenerd-Dotierstoffe für
Verstärkungszwecke.
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Bei
einem solchen alternativen Fall stellt der zweite Abschnitt einen
Oberflächenbereich
zwischen einem ersten Abschnitt des optischen Substrats 2 und
einem dritten Abschnitt dar, der dann den zweiten Abschnitt abdeckt, ähnlich wie
es für
den zweiten Abschnitt 5 aus 2 gezeigt
ist.
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Wenn
in den Oberflächen 5 oder 6 ein Bragg-Gitter
erzeugt wird, treten Photonen, die sich in dem Wellenleiter 4 ausbreiten,
aus dem Wellenleiter 4 in einem definierten Winkel aus,
wobei der Winkel im Wesentlichen durch ein Raster des Bragg-Gitters
definiert wird.
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Zusätzlich wird
eine Lichtverstärkung
erzielt, wenn ein mit einer seltenen Erde dotiertes Glas genutzt
wird, insbesondere wenn ein mit einem Seltenerdelement wie beispielsweise
Er, Yb, Tm, Nd, Pr dotiertes Chalkogenid-, Fluorid- oder Phosphatglas als
das Material in dem ersten Abschnitt, d. h. das optische Substrat 2,
oder in dem zweiten Abschnitt 5 genutzt wird. In letzterem
Fall werden, wenn Pumplicht mit einer Wellenlänge, die an einen speziellen
Dotierstoff angepasst ist, in Richtung des Pfeils A aus 2 eingeführt wird,
die Photonen, die sich in dem Wellenleiter 4 ausbreiten,
ein evaneszentes Feld haben, das sich in den zweiten Abschnitt 5 hinein
erstreckt, und werden durch das Material des zweiten Abschnitts 5 verstärkt.
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Das
in 2 dargestellte Bauelement ist nicht auf rechteckige
Abmessungen beschränkt,
da das optische Substrat 2 und der Wellenleiter 4 ein sich
seitlich erstreckendes Substrat definieren könnten, in welchem zweidimensional
optische Leitungen angeordnet sind, und der zweite Abschnitt 5 könnte einen
lokal eingeschränkten
Verstärker
zur Verstärkung
des sich in dem Wellenleiter 4 ausbreitenden Lichts darstellen.
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Es
soll nun auf 3 Bezug genommen werden, welche
eine zweite Ausführungsform
eines photonischen Bauelements zeigt, die eine dreidimensionale
Wellenleiterstruktur 7 darstellt, die auch als dreidimensionales
oder 3D-Modul bezeichnet wird, und dafür ausgelegt ist, für eine dreidimensionale
Integration photonischer Bauelemente genutzt zu werden.
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Zum
besseren Verständnis
wird außerdem Bezug
auf 4 genommen, in welcher Seitenansichten 1s, 2s,
3s und Vorderansichten 1v, 2v, 3v unterschiedlicher Würfel der
dreidimensionalen Wellenleiterstruktur 7 gezeigt sind.
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Wie
in 3 gezeigt ist, ist eine optische Faser 8,
beispielsweise durch Niedertemperaturbonden, mit einem Würfel 9 verbunden,
welcher an einer Seitenfläche
an einem Würfel 10 anliegt,
welche einen Niedertemperatur-Bondingbereich zwischen den Würfeln 9, 10 definiert.
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Außerdem liegen
die Würfel 11, 12, 13, 14 an ebenen
Oberflächenbereichen
wie in 3 gezeigt aneinander an und definieren Niedertemperatur-Bondingbereiche
wie vorstehend beschrieben.
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Mit
Hilfe eines Verfahrens zum Einbringen von Wellenleiterstrukturen
in Bulkmaterial, das detaillierter beschrieben ist in "Three-dimensional
microscopic modifications in glasses by a femtosecond laser", SPIE-Konferenz zu Laseranwendungen
in der Mikroelektronik und optoelektronischen Fertigung IV, San
Jose, Kalifornien, Januar 1999, SPIE Bd. 3618, S. 307 bis 317, sind
in dem Bulkmaterial der Würfel 9 bzw. 10 Wellenleiter 15 und 16 definiert.
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Alternativ
wird ein zweidimensionales Modul genutzt, wie es in 2 gezeigt
ist, und es werden Verbindungen an den Stirnflächen 17, 18 hergestellt, an
denen der Wellenleiter 4 frei zugänglich ist.
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In
dem Würfel 10 ist
ein Wellenteiler definiert, welcher den Wellenleiter 16 in
vier Zweige 19, 20, 21, 22 aufteilt,
wie aus der Seitenansicht 1s des Würfels 10 und aus der
Vorderansicht 1v zu ersehen ist. Die Vorderansicht 1v stellt eine
Ansicht in Richtung des Pfeils B aus 3 dar, wie
sie von der Grenzfläche zwischen
den Würfeln 10 und 13 aus
zu sehen ist.
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Der
Zweig 21 erstreckt sich nach links, in Richtung des Würfels 11,
und in dem Würfel 13,
von welchem eine Seitenansicht in 2s dargestellt ist und eine Vorderansicht,
wie von der Grenzfläche
der Würfel 13, 14 aus
betrachtet, in 2v gezeigt ist, sind weitere Wellenleiterverbindungen
hergestellt.
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Wenn
eine scharfe Biegung eingebracht werden muss, wie beispielsweise
in der Ansicht 2s angegeben ist, werden lokale Bragg-Gitter genutzt,
die durch eine zweidimensionale Strukturierung einer Oberseite eines
optischen Substrats 2 wie in 2 gezeigt
eingebracht werden könnten,
wobei das Substrat dann durch einen zweiten Abschnitt 5 abgedeckt wäre, um einen
Würfel 13 bereitzustellen.
Verbindungen in dem Bulkmaterial des zweiten Abschnitts 5 werden
dann als Wellenleiter eingebracht, die sich in dem Bulkmaterial
in einer Richtung entgegengesetzt dem Pfeil A aus 2 erstrecken.
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Die
schwarzen Punkte in den 3 und 4 bestimmen
sichtbare Kontaktbereiche, an welchen lichtleitende Strukturen Niedertemperatur-Bondingbereiche
kreuzen.
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Der
Zweig 21 des Würfels 13 ist
mit einem Wellenleiter 27 verbunden, welcher sich weiter
nach links erstreckt, schräg
zu einer linken Oberfläche
des Würfels 13,
und ein Wellenleiter 28 ist mit dem Zweig 22 verbunden,
um eine optische Verbindung zu den Wellenleitern 31 bzw. 32 bereitzustellen.
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Wie
in 3 gezeigt ist, sind die Wellenleiter 31, 32 zum
Zwecke der weiteren Kommunikation mit optischen Fasern 29, 30 verbunden.
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In
dem Würfel 14 definiert
nur der Wellenleiter 20 eine Verbindung zu einer optischen
Faser, wie auch anhand der Seitenansicht 3s zu sehen ist.
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Diese
zweite Ausführungsform
ist jedoch nicht auf kubische Ausdehnungen der Modulelemente beschränkt, stattdessen
sind im Wesentlichen beliebige rechteckige Ausdehnungen und Formen
für diese
Elemente anwendbar, solange die notwendigen Grenzflächenbereiche
zwischen diesen Elementen definiert sind.
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Bei
einer dritten Ausführungsform,
die in 5 gezeigt ist, stellt das photonische Bauelement einen
Sender dar, und der erste Abschnitt 34 umfasst eine Lichtquelle 35 und
der zweite Abschnitt 36 umfasst einen Strahlteiler 37 zum
Aufteilen eines Ausbreitungspfades 38 für die von der Lichtquelle 35 emittierten
Photonen in eine Mehrzahl von Ausbreitungspfade 39, 40, 41.
-
Bei
einer am stärksten
bevorzugten Ausführungsform
stellt die Lichtquelle 35 eine Laserdioden-Lichtquelle
dar, welche an einem Niedertemperatur-Bondingbereich 42 mit
dem Strahlteiler 37 verbunden ist.
-
Zur
zusätzlichen
Verstärkung
der in der Lichtquelle 35 erzeugten Photonen umfasst der Strahlteiler 37 ein
Material, das dafür
ausgelegt ist, Licht von der Laserdioden-Lichtquelle zu verstärken, wobei das Material bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ein aktives Phosphatlaserglas ist.
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Wie
in 5 gezeigt ist, ist ein verteilter Bragg-Reflektor (DBR – Distributed
Bragg Reflector) 43 mit jedem Zweig 39, 40, 41 des
Strahlteilers 37 verbunden und kann damit eine externe
Kavität
für die
Laserdioden-Lichtquelle 35 definieren. Der verteilte Bragg-Reflektor 43 weist
für jeden
Zweig 39, 40, 41 des Strahlteilers 37 ein
unterschiedliches Raster auf, wobei er in jedem Zweig 39, 40, 41 unterschiedliche
Resonanzkavitäten
für die
Laserdioden-Lichtquelle 35 und somit unterschiedliche Wellenlängen λ1, λ2, λ3 in unterschiedlichen
Zweigen definiert.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
besteht der verteilte Bragg-Reflektor 43 aus einem passiven
Glassubstrat.
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Wie
im mittleren Teil der 5 gezeigt ist, ist ein elektrooptischer
LiNbO3-Modulator 44 mit zumindest
einem und bei dieser Ausführungsform
mit jedem Zweig 39, 40, 41 des Strahlteilers 37 verbunden, um
eine optische Phase der Photonen in einem jeweiligen Zweig 39, 40, 41 zu
modulieren. Mit Hilfe elektrischer Spannungen, die an Elektrodenpaare 45, 46, 47 angelegt
werden, wird eine elektrooptische Änderung des Brechungsindex
des LiNbO3-Modulators 44 eingebracht,
wobei eine Phase der sich durch den Modulator 44 hindurch
ausbreitenden Photonen moduliert wird.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
wird eine Polarisation der sich durch den Modulator 44 hindurch
ausbreitenden Photonen moduliert, wenn von der Laserdioden-Lichtquelle 35 linear
polarisiertes Licht erzeugt wird und in den Modulator 44 eingespeist
wird und nur eine transversale Komponente des Vektors des elektrischen
Feldes des linear polarisierten Lichts in ihrer optischen Phase
moduliert wird.
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Ein
Kombinator 48, der vorzugsweise aus SiO2-Glas
besteht, ist mit dem Modulator 44 verbunden, um die Ausbreitungspfade 39, 40, 41 zu
zusammenzuführen
und einen kombinierten Ausbreitungspfad 49 bereitzustellen.
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Wie
im rechten Teil der 5 gezeigt ist, ist ein optischer
Verstärker 50 mit
dem kombinierten Ausbreitungspfad 49 des Kombinators 48 verbunden,
um das sich durch den Kombinator 44 hindurch ausbreitende
Licht zu verstärken.
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Der
optische Verstärker 50 besteht
im Wesentlichen aus einem mit Erbium dotierten Glassubstrat 51,
welches durch eine Laserdioden-Lichtquelle 52 optisch gepumpt
wird, vorzugsweise mit einer Pumplicht-Wellenlänge von 980 oder 1480 nm.
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Das
verstärkte
Licht wird auf eine optische Faser 53 geführt, die
mit dem sich in dem Substrat 51 erstreckenden optischen
Pfad 49 durch einen Niedertemperatur-Bondingbereich 54 verbunden
ist.
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Die
Erfindung ist für
den Fall eines Senders jedoch nicht auf die vorstehend beschriebene
Ausführungsform
beschränkt.
Allgemeiner ausgedrückt könnte die
Lichtquelle 35 eine lichtemittierende Diode oder ein Diodenarray
wie auch ein Laserdiodenarray darstellen, die in eine Mehrzahl von
Strahlteilern einspeisen. Insbesondere stellen so genannte vertikal
emittierende Laser (VCSELs – Vertical
Cavity Surface Emitting Lasers) oder Arrays von vertikal emittierenden
Lasern (VCSELs) bevorzugte Lichtquellen dar, da die Emissionskennlinien
der emittierten Photonen gut an eine Verbindung mit externen Wellenleitern
angepasst sind. Es können
jedoch auch Laserquellen auf Glasbasis verwendet werden.
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Außerdem kann
anstatt einer hochgradig komplizierten Gestaltung, wie sie aus der
vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsform zu ersehen ist,
der zweite Abschnitt bei einer vereinfachten Ausführungsform
lediglich Strukturen umfassen, die einen Ausbreitungspfad für die emittierten Photonen definieren,
wie z. B. Wellenleiter, optische Fasern oder Strahlteiler.
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Bragg-Reflektoren,
verteilte Bragg-Reflektoren, abstimmbare Bragg-Reflektoren und wellenlängenabhängige Absorber
können
verwendet werden, um eine spektrale Verstärkung der Lichtquelle 35 für spezielle
Zwecke anzupassen oder zu korrigieren.
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Es
wird nun auf 6 Bezug genommen, welche eine
vierte Ausführungsform
eines photonischen Bauelements zeigt, das einen Ultrabreitbandverstärker darstellt.
Die optischen Signale werden über
eine optische Faser 55 in den Ultrabreitbandverstärker eingespeist,
wobei die Faser, beispielsweise durch das Niedertemperatur-Bondingverfahren,
mit einem wellenlängenabhängigen Strahlteiler
verbunden ist, welcher optische Ausbreitungspfade in drei Pfade
aufspaltet, einen ersten Pfad 56 für ein Wellenlängenband,
das um ungefähr
1,3 μm herum
zentriert ist, einen zweiten Ausbreitungspfad 57, bei dem
das optische Wellenlängenband
um ungefähr
1,4 μm herum
zentriert ist, und einen dritten Ausbreitungspfad, der ein um ungefähr 1,5 μm herum zentriertes
Wellenlängenband
aufweist.
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Der
wellenlängenabhängige Strahlteiler 59 ist
mit einer optischen Verstärkeranordnung
verbunden, die drei einzelne, unabhängige optische Verstärker 60, 61, 62 umfasst.
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Die
Verstärker 60, 61, 62 sind über einen Niedertemperatur-Bondingbereich 63 mit
dem wellenlängenabhängigen Strahlteiler 59 verbunden.
Die Ausbreitungspfade, die sich durch den wellenlängenabhängigen Strahlteiler 59 hindurch
erstrecken, welcher vorzugsweise eine Wellenlängenmultiplex-Arrayed-Waveguide-Grating-Struktur
(WDM-AWG) darstellt, erstrecken sich durch die optischen Verstärker 60, 61 und 62 hindurch
und sind in einem optischen Kombinator 64 zu einem kombinierten
Ausbreitungspfad 65 zusammengeführt, welcher mit einer externen
Faser 66 verbunden ist.
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Der
optische Kombinator 64 stellt vorzugsweise eine Wellenleiterstruktur
dar, die in einem Silikatglaskörper 67 ausgeführt ist.
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Wenn
ein Photon in den wellenlängenabhängigen Strahlteiler 59 eintritt,
breitet es sich entlang eines Ausbreitungspfades aus, der dessen
Wellenlänge
zugeordnet ist, und das Photon wird zu einem optischen Verstärker 60, 61, 62,
welcher der jeweiligen Wellenlänge
zugeordnet ist, und durch diesen hindurch geführt. Unterschiedliche Materialien
in den optischen Verstärkern 60, 61, 62 sind
jeweils unterschiedlichen Wellenlängen der optischen Signale
zugeordnet.
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Der
Verstärker 60 umfasst
ein mit Praseodym dotiertes Chalkogenidglas und zeigt exzellente Verstärkungseigenschaften
in einem um 1,3 μm
herum zentrierten Wellenlängenband,
wenn das Glas mit Hilfe einer Lichtquelle 68 optisch gepumpt
wird, die eine Pumplichtwellenlänge
von ungefähr
1020 nm emittiert.
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Der
optische Verstärker 61 ist
einem Wellenlängenband
zugeordnet, das um 1,4 μm
herum zentriert ist, und umfasst Tm-dotiertes Fluoridglas, welches
durch eine Lichtquelle 69 optisch gepumpt wird, die eine
Pumplichtwellenlänge
von 800 nm emittiert.
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Der
optische Verstärker 62 verstärkt Licht
in einem Wellenlängenband,
das um 1,5 μm
herum zentriert ist, und umfasst ein mit Erbium dotiertes Phosphatglas,
das mit einer Pumplichtquelle 70 mit einer Pumplichtwellenlänge von
etwa 980 nm optisch gepumpt wird.
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Bei
einer am meisten bevorzugten Ausführungsform stellen die Pumplichtquellen
Laserdioden-Lichtquellen dar, die ebenfalls über einen Niedertemperatur-Bondingbereich
mit dem aktiven optischen Material des optischen Verstärkers 60, 61, 62 verbunden
sind.
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Entsprechend
dieser Ausführungsform
wird eine deutliche Erweiterung der spektralen Verstärkung erzielt,
und durch die Erfindung werden im Wesentlichen alle relevanten optischen
Bänder,
wie sie bei der optischen Übertragung
und optischen Datenverarbeitung genutzt werden, abgedeckt.
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Außerdem bezieht
sich diese Ausführungsform
nicht nur auf drei optische Verstärker, da ein Fachmann auf dem
Gebiet wissen wird, wie mehrere weitere Verstärker parallel hinzuzufügen sind,
indem ein Arrayed-Waveguide-Grating genutzt wird, das eine Mehrzahl
von unterschiedlichen Wellenlängenbändern bereitstellt,
und indem ein optischer Kombinator genutzt wird, um eine Mehrzahl
von optischen Ausbreitungspfaden, die sich durch eine Mehrzahl von
optischen Verstärkern
hindurch erstrecken, zusammenzuführen.
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In
einer fünften
Ausführungsform
eines photonischen Bauelements, die detaillierter in 7 gezeigt
ist, ist ein weiterer optischer Verstärker dargestellt, der eine
spektrale Verstärkung
mit erweiterter Breite und ein abgeflachtes spektrales Verstärkungsprofil
wie in 8 gezeigt aufweist.
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In 6 ist
eine optische Verstärkungsanordnung
gezeigt, welche Verstärker
umfasst, die parallel verbunden sind. Bei der fünften Ausführungsform des photonischen
Bauelements sind Verstärker 71, 72 mit
Hilfe eines Niedertemperatur-Bondingbereichs 73 in Reihe
verbunden.
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Der
optische Verstärker 71 definiert
einen ersten Abschnitt des photonischen Bauelements, welcher aktives
Material umfasst, wie beispielsweise mit Erbium dotiertes Siliziumdioxid,
und der optische Verstärker 72 definiert
einen zweiten Abschnitt des photonischen Bauelements und umfasst
ein aktives Material wie z. B. mit Erbium dotiertes Bleisilikat.
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Wenn
ein optisches Signal mit Hilfe einer Faser 74 in den Hybridverstärker eingespeist
wird, wobei die Faser mit dem Hybridverstärker über einen Niedertemperatur-Bondingbereich
an der Austrittsfläche
der Faser verbunden ist, tritt Licht entlang eines Ausbreitungspfades 76 in
den ersten Verstärker 71 ein
und wird entsprechend einer spektralen Verstärkungsbreite verstärkt, die
in 8 gezeigt ist und als Kurve (a) für ein Quarzglas
(SiO2) dargestellt ist. Beim weiteren Lauf
entlang des Ausbreitungspfades 76 wird das Licht in dem
Verstärker 72 weiter
verstärkt,
und zwar entsprechend einer spektralen Verstärkungskurve, die in 8 gezeigt
ist und durch die Kurve (c) dargestellt ist, wodurch sich eine Gesamtverstärkung ergibt,
die in 8 als Kurve (b) gezeigt ist.
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Es
ist offensichtlich, dass die Kurve (b) im Vergleich zu den Kurven
(a) und (c) eine breitere spektrale Verstärkung zeigt, die außerdem abgeflacht
ist.
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Zum
Zwecke einer optimierten Signalverarbeitung wird die Intensität der optischen
Pumplichtquellen 77, 78 basierend auf Signalen
reguliert, die von Photodetektoren 79 bzw. 80 empfangen
werden.
-
Im
Falle schwacher optischer Signale wird basierend auf einer erhöhten Intensität der Pumplichtquellen 77 und 78 eine
erhöhte
Verstärkung
bereitgestellt. Somit tritt aus dem in 7 gezeigten
Hybridverstärker
ein verstärktes
optisches Signal entlang eines Ausbreitungspfades 76 aus,
der einen Niedertemperatur-Bondingbereich 81 kreuzt, und
tritt in eine optische Faser 82 ein.
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Auch
diese Ausführungsform
ist nicht auf die Anzahl von zwei Verstärkern beschränkt, und
für andere
Zwecke können
mehrere weitere Verstärker
genutzt werden.
-
Insbesondere
wird ein Fachmann auf dem Gebiet die Grundprinzipien der in den 6 und 7 gezeigten
Ausführungsformen
nutzen können, um
optische Verstärker
in einer Kombination aus parallelen und seriellen Anordnungen zusammenzusetzen.
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Es
wird nun Bezug auf 9 genommen, die eine sechste
Ausführungsform
eines photonischen Bauelements zeigt, das einen Empfänger, kaskadiert mit
optischen Verstärkern,
darstellt. Ein erster Abschnitt dieses photonischen Bauelements
umfasst eine Mehrzahl von Photodioden 83, 84, 85, welche mit
Hilfe eines Niedertemperatur-Bondingbereichs mit optischen Verstärkern 86, 87 bzw. 88 verbunden sind.
-
Licht,
das in die in 9 gezeigte Empfängeranordnung
entlang einer optischen Faser 89 eintritt, tritt nach dem
Kreuzen eines Niedertemperatur-Bondingbereichs 91 in ein
Arrayed-Waveguide-Grating 90 ein.
-
Das
Arrayed-Waveguide-Grating 90 stellt einen wellenlängenabhängigen Strahlteiler
dar, der optische Signale in eine Mehrzahl von Wellenlängenbändern aufspaltet,
die sich entlang getrennter Ausbreitungspfade 92, 93, 94 ausbreiten.
-
Jedem
Ausbreitungspfad sind jeweilige Photodioden 95, 96, 100 zugeordnet,
welche die Intensität
eines optischen Signals erfassen, das sich entlang dieser Pfade
ausbreitet. Entsprechend den von den Photodioden 95, 96, 100 erfassten
Intensitäten pumpen
die Laserdioden-Pumplaser 97, 98, 99 die optischen
Verstärker 86, 87, 88,
und zwar vorzugsweise mit einer Pumplicht-Wellenlänge von
980 nm für
den Fall des mit Erbium dotieren Phosphatglases, wobei die Intensität des Pumplichts
von der Intensität der
optischen Signale abhängt,
wie für
den Fall des optischen Hybridverstärkers beschrieben worden ist.
-
Infolge
des Lichtverstärkungsprozesses
zeigen die Photodioden 83, 84, 85 ein
besseres Leistungsverhalten, insbesondere was ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis betrifft.
-
Auch
diese Ausführungsform
ist nicht auf eine Anzahl von drei Photodioden beschränkt, und ein
Fachmann auf dem Gebiet weiß,
wie mehrere weitere zusätzliche
Photodioden und optische Verstärker
anzuordnen sind.
-
Es
wird nun Bezug auf 10 genommen, in der eine siebente
Ausführungsform
eines photonischen Bauelements gezeigt ist, wobei das Bauelement
einen optischen Abzweigmultiplexer darstellt.
-
In
einem ersten Abschnitt umfasst dieses photonische Bauelement einen
Demultiplexer, in welchen optische Signale entlang einer optischen
Faser 102 eingespeist werden. Im Allgemeinen werden die Signale
von der optischen Faser 102 durch ein Arrayed-Waveguide-Grating 101 spektral
auf unterschiedliche Ausbreitungspfade 103, 104, 105, 106 aufgeteilt,
welche jeweils mit einem Eingangsport eines Mach-Zehnder-Interferometerelements 107, 108, 109 bzw. 110 verbunden
sind.
-
Einzukoppelnde
Signale werden entlang von Signalpfaden 111, 112, 113, 114,
die sich in einem zweidimensionalen optischen Substrat erstrecken oder
sich zumindest teilweise durch optische Fasern hindurch ausbreiten,
auf einen zweiten Eingangsport der Mach-Zehnder-Interferometer 107, 108, 109, 110 geführt.
-
Ein
analog den Interferometern 107, 108, 109, 110 aufgebautes
Mach-Zehnder-Interferometer ist detaillierter in der oberen rechten
Ecke der 10 gezeigt. Dieses Interferometer
besteht aus zwei passiven Glasbereichen 115, 116 und
einem thermooptischen Glasbereich, welcher mittels der genannten Niedertemperatur-Bondingverfahren
und -prozesse mit den passiven Glasbereichen verbunden ist. In dem
thermooptischen Glas trägt
ein aufheizbarer Teil eines Wellenleiters zumindest eines Zweiges 118, 119 des
Mach-Zehnder-Interferometers
eine optische Ausbreitungsverzögerung
ein, welche eine destruktive oder eine konstruktive Interferenz
der durch das Mach-Zehnder-Interferometer hindurch übertragenen
Signale an den Ausgängen 120, 121 bewirkt.
-
Bei
einer alternativen Ausführungsform
wird in zumindest einem der Arme des Mach-Zehnder-Interferometers
eine Ausbreitungsverzögerung
mit Hilfe eines elektrooptischen Kristalls eingetragen, wobei der
Kristall den thermooptischen Glasbereich 117 ersetzt.
-
Basierend
auf dieser Schaltfunktionalität werden
Signale, die ausgekoppelt werden sollen, von den Ausgängen der
Mach-Zehnder-Interferometer 107, 108, 109, 110 auf
Ausbreitungspfade 122, 123, 124, 125 umgeschaltet.
-
Diese
auszukoppelnden Signale werden in einer Verstärkungseinheit analog der Verstärkungsanordnung
des Ultrabreitbandverstärkers
aus 6, der die optischen Verstärker 60, 61 und 62 umfasst, oder
analog den optischen Verstärkern 86, 87, 88 des in 9 gezeigten
Empfängers
verstärkt.
-
Die
optischen Signale, die aus einem jeweiligen zweiten Ausgang der
Mach-Zehnder-Interferometer 107, 108, 109, 110 entlang
der Ausbreitungspfade 126, 127, 128, 129 austreten,
werden durch einen Kombinator 130 zusammengeführt und
in einen optischen Verstärker 131 eingespeist.
-
Der
Kombinator 130 ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
ein Arrayed-Waveguide-Grating, oder er stellt einen Kombinator dar,
wie er in 6 als Silkatglaskombinator 64 des
beschriebenen Ultrabreitbandverstärkers gezeigt ist.
-
Der
optische Verstärker 131 ist
mit einer optischen Faser 132 verbunden, auf welche die
verstärkten
und gemultiplexten optischen Signale geführt werden.
-
Ein
optischer Multiplexer, wie er in 10 gezeigt
ist, schaltet zwischen zwei Signalausbreitungspfaden 103, 104, 105, 106 und 111, 112, 113 bzw. 114 um,
es wird jedoch auch eine Umschaltung zwischen mehr als zwei Signalpfaden
erreicht, wenn mehrere Mach-Zehnder-Interferometer seriell verbunden
werden, wie für
einen Fachmann auf dem Gebiet naheliegend ist.
-
Außerdem ist
die Erfindung nicht auf eine Anzahl von vier Mach-Zehnder-Interferometern
beschränkt,
die parallel verbunden sind, da eine große Anzahl von parallelen und
seriellen Mach-Zehnder-Interferometern auf integrierten optischen
Substraten bereitgestellt werden könnten, deren Verbindungen derart
gestaltet sind, dass sie Anforderungen einer breiten Vielfalt von
unterschiedlichen Schaltanwendungen bedienen.
-
Es
wird nun Bezug auf eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines photonischen
Bauelements genommen, wie sie in 11 dargestellt
ist, in welcher schematisch ein Arrayed-Waveguide-Grating gezeigt
ist.
-
Wenn
ein optisches Signal in dieses Arrayed-Waveguide-Grating entlang einer optischen Faser 133 eingespeist
wird, die mit einem ersten Koppler 134 verbunden ist, breiten
sich mehrere unterschiedliche Wellenlängenbänder, die bei λ1, λ2, λ3, λ4 zentriert
sind, entlang einer Mehrzahl von Wellenleitern aus, die schematisch
alle mit dem Bezugszeichen 135 bezeichnet sind. Diese Wellenleiter 135 sind
Teil eines optischen Substrats, das einen ersten Abschnitt dieses
photonischen Bauelements definiert und einen ersten Brechungsindex
n1 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten ∂n1/∂T
aufweist.
-
In
einem zweiten Abschnitt des Arrayed-Waveguide-Grating erstreckt
sich eine zweite Mehrzahl von Wellenleitern 136 in einem
Material, das einen Brechungsindex n2 und
einen negativen Temperaturkoeffizienten ∂n2/∂T aufweist.
In einem dritten Abschnitt des Arrayed-Waveguide-Grating ist eine
dritte Mehrzahl von Wellenleitern 137 in einem Material
mit einem positiven Temperaturkoeffizienten ∂n3/∂T und einem
Brechungsindex n3 definiert. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
sind die Materialien des ersten Abschnitts, in welchen die Wellenleiter 135 eingebettet
sind, und des dritten Abschnitts, welcher die Wellenleiter 137 umfasst,
identisch.
-
In
den 12a, 13a und 13b sind unterschiedliche Temperaturkoeffizienten ∂n/∂T für unterschiedliche
Materialien und in Abhängigkeit
von der Temperatur gezeigt. 12b zeigt
typische Wellenlängenabhängigkeiten unterschiedlicher
Temperaturkoeffizienten ∂n/∂T für unterschiedliche
Materialien.
-
Aus 12a ist leicht zu ersehen, dass sich bei einer
Kombination von Gläsern
wie beispielsweise N-PK52 oder N-FK51 mit Gläsern SF6, H-LASF40, F2, N-LAKB
oder N-BK7 ein kompensierender Effekt insofern zeigt, als sich eine
Gesamtänderung
des Brechungsindex, den ein Photon erfährt, das sich durch ein solches
Material mit einem positiven und danach durch ein solches Material
mit einem negativen Temperaturkoeffizienten ausbreitet, im Vergleich
zu einer Änderung
des Brechungsindex eines Materials, das nur einen positiven oder
nur einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, vermindert.
-
Bei
einer am meisten bevorzugten Ausführungsform wird eine Länge der
Wellenleiter 135, 136 und 137 derart
gewählt,
dass sich eine vollständige Temperaturkompensation
ergibt, d. h. dass ein Gesamt-Temperaturkoeffizient für eine vorgegebene Temperatur
oder einen vorgegebenen Temperaturbereich im Wesentlichen null ist.
-
Infolge
des Temperaturkompensationseffekts sind die optischen Ausgangssignale,
wie sie von dem Koppler 138 in die optischen Ausgangsfasern 139, 140, 141, 142 eingespeist
werden, thermisch extrem stabil.
-
Aufgrund
der qualitativ hochwertigen Bondinggrenzflächen 143 und 144,
welche Niedertemperatur-Bondingbereiche definieren, werden die Ausgangssignale,
die in Wellenlängenbänder getrennt und
bei λ1, λ2, λ3, λ4 zentriert
sind, nicht durch schädliche
Effekte überlagert.
-
Erfindungsgemäß ist diese
temperaturkompensierende Funktionalität nicht auf Arrayed-Waveguide-Gratings
beschränkt,
sondern könnte in
beliebige optische oder photonische Bauelemente mit Wellenleitern
eingebracht werden, die in zwei Gruppen geteilt werden können, wovon
die eine Gruppe Wellenleiter mit einem positiven Temperatur koeffizienten
und die andere Gruppe Wellenleiter mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
umfasst.
-
Es
ist offensichtlich, dass in der vorliegenden Beschreibung nicht
alle Niedertemperatur-Verbindungen detailliert diskutiert worden
sind, eine weitere Angabe dazu findet sich jedoch in den Zeichnungen an
Grenzflächenbereichen
zwischen zwei Elementen. An diesen Stellen weist ein fettgedruckter
Abschnitt der Zeichnung auf einen weiteren Niedertemperatur-Bondingbereich
hin, selbst wenn dieser in der Beschreibung nicht eingehender erwähnt worden ist.
-
- 1
- erste
Ausführungsform
des photonischen Bauelements
- 2
- optisches
Substrat, das den ersten Abschnitt definiert
- 3
- Oberseite
des optischen Substrats 2
- 4
- Wellenleiter
- 5
- zweiter
Abschnitt
- 6
- Unterseite
des zweiten Abschnitts 5
- 7
- dreidimensionale
Wellenleiterstruktur
- 8
- optische
Faser
- 9
- Würfel
- 10
- Würfel
- 11
- Würfel
- 12
- Würfel
- 13
- Würfel
- 14
- Würfel
- 15
- Wellenleiter
- 16
- Wellenleiter
- 17
- Stirnfläche
- 18
- Stirnfläche
- 19
- Zweig
des Wellenleiter-Strahlteilers
- 20
- Zweig
des Wellenleiter-Strahlteilers
- 21
- Zweig
des Wellenleiter-Strahlteilers
- 22
- Zweig
des Wellenleiter-Strahlteilers
- 23
- Biegung
im Wellenleiter
- 24
- Biegung
im Wellenleiter
- 25
- Verbindung
zu Wellenleiter
- 26
- Verbindung
zu Wellenleiter
- 27
- Wellenleiter
- 28
- Wellenleiter
- 29
- optische
Faser
- 30
- optische
Faser
- 31
- Wellenleiter
- 32
- Wellenleiter
- 33
- optische
Faser
- 34
- erster
Abschnitt der vierten Ausführungsform
- 35
- Lichtquelle
- 36
- zweiter
Abschnitt der vierten Ausführungsform
- 37
- Strahlteiler
- 38
- Ausbreitungspfad
- 39
- Ausbreitungspfad
- 40
- Ausbreitungspfad
- 41
- Ausbreitungspfad
- 42
- Niedertemperatur-Bondingbereich
- 43
- Bragg-Gitter
- 44
- Modulator
- 45
- Elektrodenpaar
- 46
- Elektrodenpaar
- 47
- Elektrodenpaar
- 48
- Kombinator
- 49
- kombinierter
Ausbreitungspfad
- 50
- optischer
Verstärker
- 51
- dotiertes
Glassubstrat
- 52
- Pumplaser-Lichtquelle
- 53
- optische
Faser
- 54
- Niedertemperatur-Bondingbereich
- 55
- optische
Faser
- 56
- Ausbreitungspfad
- 57
- Ausbreitungspfad
- 58
- Ausbreitungspfad
- 59
- wellenlängenabhängiger Strahlteiler
- 60
- optischer
Verstärker
- 61
- optischer
Verstärker
- 62
- optischer
Verstärker
- 63
- Niedertemperatur-Bondingbereich
- 64
- Kombinator
- 65
- kombinierter
Ausbreitungspfad
- 66
- optische
Faser
- 67
- Silikatglaskörper
- 68
- Lichtquelle
- 69
- Lichtquelle
- 70
- Lichtquelle
- 71
- optischer
Verstärker
- 72
- optischer
Verstärker
- 73
- Niedertemperatur-Bondingbereich
- 74
- optische
Faser
- 75
- Niedertemperatur-Bondingbereich
- 76
- optischer
Ausbreitungspfad
- 77
- Pumplichtquelle
- 78
- Pumplichtquelle
- 79
- Photodetektor
- 80
- Photodetektor
- 81
- Niedertemperatur-Bondingbereich
- 82
- optische
Faser
- 83
- Photodiode
- 84
- Photodiode
- 85
- Photodiode
- 86
- optischer
Verstärker
- 87
- optischer
Verstärker
- 88
- optischer
Verstärker
- 89
- optische
Faser
- 90
- Arrayed
Waveguide Grating (AWG)
- 91
- Niedertemperatur-Bondingbereich
- 92
- optischer
Ausbreitungspfad
- 93
- optischer
Ausbreitungspfad
- 94
- optischer
Ausbreitungspfad
- 95
- Photodiode
- 96
- Photodiode
- 97
- Laserdioden-Lichtquelle
- 98
- Laserdioden-Lichtquelle
- 99
- Laserdioden-Lichtquelle
- 100
- Photodiode
- 101
- Arrayed
Waveguide Grating (AWG)
- 102
- optische
Faser
- 103
- Ausbreitungspfad
- 104
- Ausbreitungspfad
- 105
- Ausbreitungspfad
- 106
- Ausbreitungspfad
- 107
- Mach-Zehnder-Interferometer
- 108
- Mach-Zehnder-Interferometer
- 109
- Mach-Zehnder-Interferometer
- 110
- Mach-Zehnder-Interferometer
- 111
- Ausbreitungspfad
- 112
- Ausbreitungspfad
- 113
- Ausbreitungspfad
- 114
- Ausbreitungspfad
- 115
- passives
Glas des Mach-Zehnder-Interferometers
- 116
- passives
Glas des Mach-Zehnder-Interferometers
- 117
- thermooptisches
Glas oder elektrooptisches Material
- 118
- Zweig
des Mach-Zehnder-Interferometers
- 119
- Zweig
des Mach-Zehnder-Interferometers
- 120
- Ausgang
des Mach-Zehnder-Interferometers
- 121
- Ausgang
des Mach-Zehnder-Interferometers
- 122
- Ausbreitungspfad
für Auskoppelsignal
- 123
- Ausbreitungspfad
für Auskoppelsignal
- 124
- Ausbreitungspfad
für Auskoppelsignal
- 125
- Ausbreitungspfad
für Auskoppelsignal
- 126
- Ausbreitungspfad
zu Kombinator
- 127
- Ausbreitungspfad
zu Kombinator
- 128
- Ausbreitungspfad
zu Kombinator
- 129
- Ausbreitungspfad
zu Kombinator
- 130
- Kombinator
- 131
- optischer
Verstärker
- 132
- optische
Faser
- 133
- optische
Faser
- 134
- Koppler/Strahlteiler
- 135
- erste
Anordnung von Wellenleitern in erstem Abschnitt
- 136
- zweite
Anordnung von Wellenleitern in zweitem Abschnitt
- 137
- dritte
Anordnung von Wellenleitern in drittem Abschnitt
- 138
- Koppler/Kombinator
- 139
- optische
Faser
- 140
- optische
Faser
- 141
- optische
Faser
- 142
- optische
Faser
- 143
- Niedertemperatur-Bondingbereich
- 144
- Niedertemperatur-Bondingbereich