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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische wellenleitende Vorrichtung
wie etwa integrierte optische Wellenleitereinrichtungen und insbesondere eine
derartige Vorrichtung, die Wellenleiterüberkreuzungen mit reduziertem
Verlust umfaßt.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Da
faseroptische Kommunikationskanäle Metallkabel
und Direktfunkstrecken zunehmend ersetzen, werden optische wellenleitende
Vorrichtungen in Form integrierter optischer Wellenleitereinrichtungen
zunehmend wichtig. Solche Einrichtungen umfassen in der Regel ein
Substrat wie etwa Silizium, das mit einer Mantelbasisschicht wie
etwa SiO2, einer dünnen strukturierten Kernschicht über der
Basis und einer oberen Mantelschicht über dem strukturiertem Kern
versehen ist. Der Kern weist einen höheren Brechungsindex auf als
die Mantelschichten, damit man wellenleitende Eigenschaften erhält, und
die Kernschicht ist etwa durch fotolithographische Techniken so
konfiguriert, daß sie
eine beliebige einer großen Vielfalt
optischer Verarbeitungsfunktionen ausführt, wie etwa Strahlteilen,
Abgreifen, Multiplexieren, Demultiplexieren und Filtern.
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Mit
der Ankunft höherer Übertragungsraten und
steigender Niveaus an Wellenlängenmultiplexierung
ist es wünschenswert
geworden, wellenleitende Vorrichtungen mit einer erhöhten Dichte
an Verabeitungseinrichtungen bereitzustellen, die an einer zunehmenden
Anzahl optischer Eingaben arbeiten. Das kompakte Design solcher
Vorrichtungen erfordert Wellenleiter-„Überkreuzungen", wo ein geleiteter Strahl
den anderen kreuzt. In der Regel überkreuzen sich die wellenleitenden
Kerngebiete nicht physisch auf verschiedenen Ebenen, sondern verlaufen
vielmehr durch das gleiche koplanare Gebiet.
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Eine
Schwierigkeit bei Wellenleiterüberkreuzungen
besteht darin, daß sie
durch Streuung und Nebensprechen einen optischen Verlust erzeugen, wenn
ein Teil des Lichts aus jedem Weg zu dem anderen geht. Die sich
schneidenden Wellenleiter stellen an der Kreuzung ein Profil mit
asymmetrischem Index dar. Dieses Profil stört die geführte optische Mode und regt
optische Moden höherer
Ordnung an. Da das Kreuzungsgebiet abrupt ist (nicht-adiabatisch),
regt es nicht geführte
Moden an, was zu Nebensprechen und dem Verlust an optischer Leistung führt. Diese
Probleme sind erschwert, wenn der Wellenleiterindexkontrast δ zunimmt.
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1A,
die den Stand der Technik darstellt, veranschaulicht schematisch
eine herkömmliche Überkreuzung,
die ein Paar optischer Kernwellenleiter 10 und 11 umfaßt, die
sich in einer gemeinsamen Kernschicht über einem Gebiet 12 unter
einem Winkel ∅ schneiden. Die Kernwellenleiter 10, 11 weisen einen
Brechungsindex n2 auf, der höher ist
als der Index n1 der umgebenden Mantelschichten.
Für eine Vorrichtung
mit höherer
Dichte schneiden sich die Überkreuzungen
in der Regel unter einem kleinen Winkeln ∅ < 5° und weisen
Kerne mit einem hohen Indexkontrast zum Mantel auf, d. h. ein hoher
Wert von Delta = (n2 – n1)/n2. Doch selbst mit einem niedrigen Indexkontrast
werden sich ausbreitende optische Moden durch das Kreuzungsgebiet
gestört,
wodurch nicht geführte
Moden angeregt werden, die einen Verlust an optischer Leistung und
Nebensprechen verursachen.
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1B ist
eine graphische Darstellung, die den Verlust an optischer Leistung
als Funktion des Kreuzungswinkels ∅ für typische herkömmliche Überkreuzungen
mit Delta = 4% (Kurve 1) und Delta = 0,8% (Kurve 2) zeigen. Es ist
klar, daß der
Verlust mit abnehmendem Kreuzungswinkel schnell zunimmt.
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Zum
Reduzieren von Verlusten bei der Wellenleiterkreuzung sind viele
Techniken vorgeschlagen worden. Ein Ansatz besteht darin, die führende Schicht
zu erweitern, um ihre Breite zu vergrößern, wenn sich die Wellenleiter
dem schneidenden Gebiet nähern.
(Siehe K. Aretz et al., „Reduction
of Crosstalk and Losses of Intersecting Waveguide", 25 Electronics
Letters, Nr. 11 (25. Mai 1989); siehe auch H. G. Bukkens, et al., „Minimization
of the Loss of Intersecting Waveguides in InP-Based
Photonic Integrated Circuits",
IEEE Photonics Technology Letters, Nr. 11 (November 1999)). Die
Größe des optischen
Strahls weitet sich deshalb an der Kreuzung auf, was für eine bessere
Anpassung der optischen Mode an den Wellenleiter auf der anderen
Seite der Kreuzung sorgt. Geringes Nebensprechen von > 30 dB und ein geringer
Verlust wurden für
Winkel > 6° erzielt.
Diese Technik erfordert jedoch eine lange Verjüngungslänge (> 1 mm), was für bestimmte Anwendungen unpraktisch
ist. Außerdem
ist die Technik für
Wellenleiterkreuzungen mit einem hohen Delta nicht effektiv.
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Ein ähnlicher
Ansatz wird in dem am 9. Oktober 1990 erteilten US-Patent Nr. 4,961,619
an Hernandez et al. vorgeschlagen. Die Breite des Wellenleiters
wird an der kreuzenden Kreuzung erhöht oder reduziert, um die Charakteristiken
der optischen Mode in diesem Gebiet zu modifizieren. Dies führt eine
axiale Variation in die Querverteilung des Brechungsindexes ein,
was eine bessere Ausrichtung des elektrischen Felds an der Kreuzung
gestattet. Das Verfahren kann auch für Kreuzungen mit einem kleinen
Winkel unter 5° verwendet
werden. Für
einen Wellenleiter mit einem hohen Delta ist es jedoch nicht sehr
geeignet, da es große
Verjüngungsgebiete
erfordert, um die optische Mode adiabatisch aufzuweiten.
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Bei
einem dritten Ansatz von Nishimoto (US-Patent Nr. 5,157,756, erteilt
am 20. Oktober 1992) enthält
der Index des schneidenden Gebiets ein Umfangsgebiet mit niedrigem
Index, umgeben von einer Insel aus Wellenleitermaterial in der Mitte der
Kreuzung. Siehe außerdem
Lemoff et al. Diese Technik könnte
die Verluste für
Kreuzungen mit einem kleinen Winkel reduzieren. Sie ist jedoch nicht effektiv
für Wellenleiter
mit einem hohen Stufenindexkontrast, und es wird erwartet, daß der Verlust
höher ist.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf an einer optischen wellenleitenden Vorrichtung,
die Wellenleiterüberkreuzungen
mit reduziertem Verlust aufweist.
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EP-A-0877264
betrifft eine verbesserte optische Wellenleitervorrichtung mit einem
segmentierten Wellenleiterkonzept. Bei einer Ausführungsform der
Erfindung offenbart EP-A-0877264 ein Wellenleiterüberkreuzungsgebiet,
das ausgebildet wird durch die Kreuzung zweier Wellenleiter. Jeder
der Wellenleiter ist durch einen Spalt von dem Wellenleiterüberkreuzungsgebiet
getrennt.
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Aus
der europäischen
veröffentlichten
Patentanmeldung EP-A-0877264 ist die Bereitstellung einer optischen
Einrichtung bekannt, die mehrere optische Wellenleiter umfaßt, wobei
jeder Wellenleiter ein sich in Längsrichtung
erstreckendes Kerngebiet für
das Leiten von Licht umfaßt,
wobei die Einrichtung weiterhin mindestens ein Kreuzungsgebiet umfaßt, wo sich
mindestens ein erster und zweiter Wellenleiter schneiden.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist über
die Offenbarung von EP-A-0877264 hinaus dadurch gekennzeichnet,
daß jedes
schneidende Gebiet ein komplexes Wellenleiterkern segment mit einer
Außenumfangsgestalt
entsprechend dem Außenumfang
aufweist, der durch die Vereinigung von zwei Reihen von regelmäßig beabstandeten
getrennten geometrischen Gebieten ausgebildet wird, wobei jede Reihe von
Gebieten die Gestalt einer Reihe beabstandeter Wellenleitersegmente
der entsprechenden Wellenleiter aufweist, wobei die jeweiligen Reihen
entlang der jeweiligen optischen Achse der beiden Wellenleiter ausgerichtet
sind, wobei jede Reihe mindestens drei beabstandete getrennte geometrische
Gebiete enthält.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Vorteile, das Wesen und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung
ergeben sich eingehender bei Betrachtung der veranschaulichenden
Ausführungsformen,
wie im Detail in Verbindung mit den beliegenden Zeichnungen zu beschreiben ist.
Es zeigen:
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1A ein
Schemadiagramm einer herkömmlichen
Wellenleiterüberkreuzung;
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1B eine
graphische Veranschaulichung eines simulierten Verlusts als Funktion
des Kreuzungswinkels für
zwei repräsentative Überkreuzungen
nach 1A.
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2A ein
Schemadiagramm, das sich zum Auslegen einer Wellenleiterüberkreuzung
gemäß der Erfindung
eignet;
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2B ein
Schemadiagramm, das eine beispielhafte optische wellenleitende Vorrichtung
veranschaulicht, die eine Wellenleiterüberkreuzung gemäß der Erfindung
umfaßt;
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2C einen
schematischen Querschnitt der Einrichtung von 2B entlang
des Wellenleiters 22 und
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3 eine
graphische Veranschaulichung eines simulierten Verlusts als Funktion
des Kreuzungswinkels für
mehrere Überkreuzungen
einschließlich
der Überkreuzung
von 2B.
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Es
versteht sich, daß diese
Zeichnungen nur den Zweck haben, die Konzepte der Erfindung zu veranschaulichen,
und mit Ausnahme der graphischen Darstellungen nicht maßstabsgetreu
sind.
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Ausführliche
Beschreibung
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen, 1A und 1B,
die herkömmlich
sind, wurden im allgemeinen Stand der Technik beschrieben.
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2A,
die sich beim Auslegen einer Wellenleiterüberkreuzung gemäß der Erfindung
eignet, veranschaulicht eine optische Wellenleitervorrichtung 20,
die ein beispielhaftes Wellenleiterüberkreuzungsgebiet 21 umfaßt. Im wesentlichen
umfaßt
das Überkreuzungsgebiet 21 ein
Paar koplanare optische Wellenleiter 22 und 23,
die sich unter einem Winkel ∅ schneiden. Jeder optische
Wellenleiter 22, 23 umfaßt eine Kernsektion mit mehreren
Segmenten 22B, 23B, die sich die Wellenleiter über das
Kreuzungsgebiet 21 hinweg teilen. Vorteilhafterweise ist
jeder Wellenleiter 22, 23 adiabatisch auf eine
vergrößerte Breite
am Kreuzungsgebiet verjüngt,
und adiabatisch auf eine reduzierte Breite aus dem Gebiet herausführend verjüngt. Der
Wellenleiter 22 beispielsweise liefert einen Weg, der eine
kontinuierlich verjüngte
Eingabekernsektion 22A aufweitender Breite umfaßt, die
in das Kreuzungsgebiet 21 führt, wobei die mehreren Segmente 22B im
Gebiet 21 und eine kontinuierlich verjüngte Kernsektion 22C aus
dem Gebiet 21 herausführen.
Der Wellenleiter 23 weist ähnliche Kernsektionen auf,
die ähnlich
bezeichnet sind. Bevorzugt sind in jedem Wellenleiter die Segmente
von den Achsen der kontinuierlichen Eingabesektionen 22A, 23A in
Querrichtung versetzt.
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2A wäre eine
Möglichkeit
für eine Überkreuzung,
bei der sich Wellenleiterkerne 22 und 23 in getrennten
Schichten befinden, gilt aber nicht für Überkreuzungen, bei denen Kerne 22, 23 koplanar sind.
Wie man ohne weiteres aus 2A erkennen kann,
vereinigen sich bei einer Vorrichtung mit koplanaren Kernen die
Segmente 22B und 23B zu einem komplexen gemeinsamen
Segment mit einer Gestalt entsprechend dem Außenumfang der Segmentkreuzungen.
Gemäß der Erfindung
umfaßt
eine Überkreuzung
eine Überkreuzung,
die ein derartiges komplexes gemeinsames Segment umfaßt.
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2B veranschaulicht
eine beispielhafte optische Vorrichtung, die eine Überkreuzung
gemäß der Erfindung
enthält.
Hier verlaufen koplanare wellenleitende Kerne 22, 23 durch
ein Überkreuzungsgebiet 21.
Jeder Wellenleiter umfaßt
eine kontinuierliche (im Vergleich zum Überkreuzungsgebiet lange) Eingabesektion,
z.B. 22A, ein komplexes gemeinsames Segment 25 (im
wesentlichen durch die gestrichelte Linie gezeigt) und eine kontinuierliche
Ausgabesektion, z.B. 22C. Beide Wellenleiter weisen das gleiche
komplexe gemeinsame Segment 25 auf, und das komplexe gemeinsame
Segment weist eine Gestalt entsprechend dem Außenumfang von vereinigten Segmenten
auf, wie in Verbindung mit 2A beschrieben.
Die Vorrichtung von 2B enthält vorteilhafterweise auch
die Verjüngungen
und Offsets, die in Verbindung mit 2A beschrieben
sind.
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2C ist
ein schematischer Querschnitt der Einrichtung von 2B entlang
der Linie A-A'. Sie
zeigt, daß die
Vorrichtung ein Substrat 26 wie etwa Silizium enthält, das
eine erste Mantelschicht 27 wie etwa Siliziumoxid trägt. Die
Kernschichten 22, 23 sind in der Regel Gebiete
aus Siliziumoxid, die für
einen höheren
Brechungsindex dotiert sind, und eine zweite Mantelschicht 28 kann über dem
strukturierten Kern abgeschieden werden.
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Der Überkreuzungswinkel θ ist der
spitze Winkel zwischen den Längsachsen
der Wellenleiter 22 und 23. Diese Erfindung läßt sich
anwenden auf Überkreuzungen,
bei denen θ in
der Regel im Bereich 35 – 3° und bevorzugt
im Bereich 25 – 5° liegt. Im
Vergleich zur typischen Wellenleiterbreite in Übertragungsgebieten, die vom Überkreuzungsgebiet entfernt
sind, sind die Wellenleiter im Überkreuzungsgebiet
in der Regel um 0–30%
und bevorzugt 9–11%
vergrößert. Das Überkreuzungsgebiet
umfaßt in
der Regel die Vereinigung von 3–5
gemeinsamen Segmenten. Jedes Segment weist in der Regel eine Längserstreckung
im Bereich 4–8
Mikrometer auf, und die Segmente sind um 1,2 bis 1,4 Mikrometer
beabstandet. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die segmentierten
Sektionen sowohl von den Eingabekernsektionen als auch den Ausgabekernsektionen
in Querrichtung versetzt. Die optimalen Offsets hängen von
dem Winkel θ ab.
Bei typischen Überkreuzungen
kann der Offset von unter etwa 0,1 Mikrometer bis über 1,0
Mikrometer reichen, bei einem vorteilhaften Offset von 0,3 Mikrometer
für θ = 20° und 0,7
Mikrometer für θ = 5°. Bei der
Ausführungsform
von 2 sind die segmentierten Sektionen 25B bezüglich der
Eingabesektion 23A versetzt (nach links verschoben) und
bezüglich
der Eingabesektion 22A (nach rechts verschoben).
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Die
Erfindung eignet sich für Überkreuzungen
von Wellenleitern mit Delta-Werten im Bereich 0,8–10. Sie
ist besonders vorteilhaft für Überkreuzungen
mit hohen Delta-Werten im Bereich 2–6. Bei der oben beschriebenen Überkreuzung
erzeugt die Überlappung
der Segmente von den sich schneidenden Wellenleitern ein Indexmuster,
das optische Leistung in Richtung der Ausgabewellenleiter führt. Die segmentierten
Sektionen erweitern den optischen Strahl innerhalb des Kreuzungs gebiets 22.
Außerdem
ist der Strahl mit adiabatischen (bevorzugt exponentiellen) Verjüngungen
geringfügig
erweitert, um der optischen Mode in dem segmentierten Gebiet zu entsprechen.
Der Queroffset der Segmente verbessert die Modenkopplung an dem
Wellenleiterkreuzungsgebiet 22.
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Die
Erfindung läßt sich
nun durch Betrachtung der folgenden spezifischen Beispiele klarer
verstehen.
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3 zeigt
eine Simulation unter Verwendung von kommerzieller BPV-Software.
Diese Ergebnisse erhält
man für
Wellenleiter mit einem Indexkontrast Delta = 0,8% (Kreis), 4% (Quadrat).
Auf der gleichen Figur sind die Daten von einer herkömmlichen Kreuzung
durch gepunktete Linien gezeigt. Für den 0,8%-Wellenleiter beträgt die Ausgangsbreite
der Verjüngung
4,5 μm und
Höhe von
6,4 μm.
Die Endbreite kann je nach dem Winkel der Kreuzung im Bereich zwischen
4 und 5 μm
liegen. Die Gesamtlänge des
Kreuzungsbereichs (Verjüngungen
eingeschlossen) beträgt
120 μm.
Die Offsets der Wellenleiter sind für jeden Winkel angepaßt. Wie
in dieser Figur demonstriert, könnte
man eine signifikante Reduzierung des Verlusts für Kreuzungen mit kleinem Winkel im
Vergleich zu der herkömmlichen
Kreuzung erhalten. Ohne die Verwendung von Segmenten beträgt der Verlust
bei einem Wellenleiter mit einem Standarddelta (0,8%) etwa 0,08
db bei 30°.
Bei einer Kreuzung mit einem kleineren Winkel von 5° könnte dieser
Wert bis auf 1 dB steigen, was für
einen annehmbaren Verlust zu hoch ist. Unter Einsatz der vorliegenden
neuen Technik wird dieser Wert auf 0,1 db für einen Winkel von 5° reduziert,
und die Ergebnisse sind für
einen breiten Bereich von Winkeln fast flach.
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Für Wellenleiter
mit einem Delta von 4% sind die Abmessungen 2,7 × 2,7 μm2.
Die Verjüngungsendlänge liegt
im Bereich zwischen 70–120 μm. Wiederum
werden der Offset und die Endbreite des Wellenleiters gemäß den Kreuzungswinkeln
angepaßt. Die
Verwendung von Segmentierung an der Kreuzung könnte die Verluste von 0,45
db auf 0,13 db für 20° und von
~ 16 db auf 0,4 db für
5° reduzieren.
Der Wert von ~ 16 db ist hauptsächlich
auf Nebensprechen mit dem schneidenden Wellenleiter zurückzuführen. Diese
Ergebnisse sind für
eine Kreuzung mit niedrigem Winkel vielversprechend, was die Anzahl der
optischen Einrichtungen auf einem Chip erhöht.