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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kopplerschaltkreis für optische
Wellenleiter auf Polymerbasis.
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In
einem dichten Wellenlängen-Divisions-Multiplexing
(DWDM)-System, das
auf optische Trägerwellen,
die zu S, C und L-Bändern gehören, angewandt
wird, wird der wellenlängenunabhängige Wellenleiter-Koppler
benutzt, der optische Träger
umfassend 80–100
nm Bänder
um 1550 nm mit einer spezifizierten Aufteilungsrate in zwei Kanäle zu routen
in der Lage ist, wobei diese von der Wellenlänge unbeeinflusst ist. Der
Koppler, der optische Träger
mit einem Aufspaltungsverhältnis
von 1:1 aufspaltet, wird 3-dB-Koppler genannt und ist in vielfältigen faseroptischen
Kommunikationssystemen in Gebrauch (K. Jinguji st al., „Mach-Zehnder
interferometer type optical waveguide coupler with wavelength-flattened
coupling ratio",
Electron. Lett., 1990, Vol. 26, No. 17, pp. 1326–1327).
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Solch
ein Wellenlängen-unabhängiger Wellenleiter-Koppler
umfasst einen optischen Schaltkreis 17 des Typs Mach-Zehner
Interferometer, wie in 8 dargestellt.
Der Schaltkreis umfasst zwei Wellenleiterkerne 13, 14,
die auf der Oberfläche
eines Substrates 20 aus Quarz oder aus einem Siliziumwafer
gebildet sind.
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Die
Wellenleiterkerne 13, 14 sind von unteren und
oberen Mantelschichten 18, 19 bedeckt, die beide auf
dem Substrat 20 gebildet sind. Wenn die Kern- und Mantelschichten
hauptsächlich
aus Siliziumdioxid (SiO2) bestehen, wird
der resultierende optische Schaltkreis ein Quarzwellenleiter genannt.
Wenn sie aus einem Polymer bestehen, wird der resultierende optische
Schaltkreis ein Polymerwellenleiter genannt.
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Der
optische Schaltkreis 17 vom Mach-Zehnder-Interferometer-typ
umfasst in zwei Richtungen wirksame Koppler 15, 16,
die erhalten werden, indem die beiden Wellenleiterkerne 13, 14 nahe
aneinander und parallel zueinander gebracht werden. Der optische
Schaltkreis 17 vom Mach-Zehnder Interferometertyp erhält ein optisches
Signal um 1550 nm mit einer Bandbreite von 80–100 nm entweder von einem
Anschluss 13a oder 14a, der entsprechend mit dem
Wellenleiterkern 13 oder 14 verbunden ist, und
spaltet das Signal mit einem Aufspaltungsverhältnis von 1:1 auf, um zwei
Ausgangssignale zu liefern, die eine Intensität von je der Hälfte des
von den Anschlüssen 13b, 14b oder
den anderen Anschlüssen
der Wellenleiterkerne 13, 14 gelieferten Signale
haben.
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Eine
Anwendung eines solchen optischen Schaltkreises von Mach-Zehnder-Interometertyp
schließt einen
Wellenmischer („interleaver"), der in 2 dargestellt
ist, ein. Dieser Wellenmischer mit zwei Polymerwellenleitern 9, 10 umfasst
Schaltkreise 11, 12: Jeder der Schaltkreise entspricht
einem optischen Schaltkreis vom Mach-Zehnder-Interferometertyp,
wie in 8 gezeigt, und die zwei Schaltkreise
sind zueinander punktsymmetrisch angeordnet. Wenn es gewünscht ist,
Wellenlängen
mit einer Bandbreite von 100 nm zu separieren, ist es lediglich
erforderlich, dass der in 2 dargestellte
Wellenmischer so konfiguriert wird, dass eine geeignete optische
Wegdifferenz zwischen den zwei Wellenleitern 9, 10 eingefügt wird.
Dies vereinfacht die Konstruktion des Wellenmischers.
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Gemäß dem in 2 dargestellten
Wellenmischer ist es beispielsweise durch die Ausbildung der Wellenleiter 9, 10 möglich, eine
geeignete optische Wegdifferenz zu erzeugen, um von einem Anschluss 9a eines Wellenleiters 9 optische
Signale λ1,
..., λn
zu erhalten, die jeweils eine Bandbreite von 80–100 nm um 1550 nm haben, diese
alternierend in zwei Kanäle
zu routen und diese dann als getrennte Ausgänge von den Anschlüssen 9b, 10b der
Wellenleiter 9, 10 zu liefern.
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Da
jedoch der in 2 dargestellte Wellenmischer
Polymerwellenleiter umfasst, können
seine optischen Eigenschaften bei Änderungen der Umgebungstemperatur
variieren, so dass der Temperaturbereich, in dem er normale betrieben
werden kann, sehr begrenzt ist. Der Temperaturkoeffizient des Brechungsindex
eines Polymermaterials für
Wellenleiter ist zehnmal oder mehr größer als der von Quarz. Daher
erleiden die Polymerwellenleiter 9, 10 und die
Mantelschichten, die die Wellenleiter bedecken, eine große Änderung
ihrer Brechungsindices, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert; die
Parameter des optischen Schaltkreises, der diese Wellenleiter und
Mantelschichten umfasst, werden ebenfalls von den gewünschten
Bereichen abweichen und der optische Schaltkreis wird von dem vorgesehenen
Niveau abweichen. Die herabgesetzte Performance eines optischen
Schaltkreise mit polymeren Wellenleitern als Folge der Änderung
der Umgebungstemperatur wird hauptsächlich folgenden zwei Ursachen
zugeschrieben: Der erste Grund ist: Eine Phasendifferenz, die als
Folge der geeignet gewählten
Weglängendifferenz
zwischen den zwei Wellenleitern 9, 10 erzeugt wird,
wird bei Anwesenheit einer Änderung
der Umgebungstemperatur verändert,
was wiederum eine Änderung
der zentralen Wellenlänge
der betroffenen optischen Träger
bewirkt. Der zweite Grund ist: Ein optischer Träger, der den optischen Sachaltkreis 17 vom
Mach-Zehnder-Interferometertyp,
der einer Änderung
der Umgebungstemperatur ausgesetzt war, passiert hat, wird so modifiziert,
dass seine Wellenlänge
zu einer kürzeren oder
längeren
Wellenlänge
verschoben wird. Beispielsweise hat der Brechungsindex eines polymeren
Wellenleiters einen Temperaturkoeffizienten von ungefähr – (1,1–1,8) × 10–4/K,
und wenn ein polymerer Wellenleiter einer Temperaturänderung
von 40°C
ausgesetzt wird, wird ein Träger,
der durch den Wellenleiter durchgegangen ist, eine Verschiebung
seiner Wellenlänge
von etwa 6,5 nm erleiden. Angenommen, ein Wellenmischer mit polymerem
optischem Schaltkreis vom Mach-Zehnder-Interferometertyp
trennt Träger
mit 0,8 nm Intervallen und ist einer Temperaturänderung von 40°C ausgesetzt,
und erleidet daher eine Wellenlängenverschiebung
von 6,5 nm, dann wird der Träger
zu einem Kanal geleitet, der um acht Kanäle von dem, zu dem er geleitet
werden sollte, verschoben ist. Gemäß einem Experiment wird ein
Träger,
der die optischen Schaltkreise 11, 12 vom Mach-Zehnder-Interferometertyp
passiert hat, so stark modifiziert, dass sein Ausgang sich um ± 2% oder
mehr an den Enden seiner Bandbreite ändert, und es unmöglich ist,
das Nebensprechen zwischen benachbarten Träger bei –30 dB oder darunter aufrechtzuerhalten,
wenn solch ein Wellenmischer, wie oben beschrieben, einer Temperaturänderung
von 40°C
ausgesetzt wurde.
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Das
erste Problem wird durch Adjustierung der physikalischen Parameter
der Wellenleiter 9, 10 gelöst, so dass sie die folgende
Gleichung für
eine Wellenlänge
mit gegebener Bandbreite erfüllen: δβ10/δT = δβ9/δT (L9/L10) (1)wobei β9 und β10 die
Transmissionskonstanten der Wellenleiter 9 und 10 für eine Mode
von optischen Trägern, L9 und L10 die Längen des
Lichtweges der Wellenleiter 9, 10, die durch die
optischen Schaltkreise 11, 12 vom Mach-Zehnder-Interferometertyp
eingeschlossen sind, und T die Temperatur repräsentieren.
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Zur
Lösung
des zweiten Problems ist es erforderlich, die Gesamtstruktur des
Wellenmischers neu zu konstruieren, weil seine optischen Schaltkreise 11, 12 vom
Mach-Zehnder-Interferometertyp
in ihrer Struktur zu komplex sind. Zu dem obigen ähnliche
Probleme werden auch bei gewissen Typen von optischen Quarzwellenleiter-Schaltkreisen
beobachtet. Der Brechungsindex eines Quarzmaterials hat einen positiven
Temperaturkoeffizienten, dessen absoluter Wert kleiner ist, als
der von entsprechendem polymerem Material. Daher besteht eine bekannte
Methode, optische Wellenleiterschaltkreise aus Quarz herzustellen,
darin, einen Quarz-Wellenleiterkern mit einer polymeren Schicht
zu bedecken, deren Brechungsindex einen ausreichend großen negativen
Temperaturkoeffizienten aufweist, um den positiven Temperaturkoeffizienten
des Quarz-Wellenleiterkerns
zu kompensieren. Allerdings hat ein polymeres Material im allgemeinen
einen Brechungsindex, dessen Temperaturkoeffizient einen zu großen negativen
Wert hat, um die Positivität
des Temperaturkoeffizienten eines Quarzmaterial gerade zu kompensieren.
Natürlich
kann diese Methode für
den hier betroffenen polymeren optischen Wellenleiterschaltkreis
nicht angewandt werden.
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Eine
bekannte Methode zur Kompensation der thermischen Charakteristiken
eines polymeren Wellenleiterkerns ist der Einsatz eines Substrates
mit großer
thermischer Ausdehnung. Um es genauer auszudrücken, besteht die Methode darin,
ein polymeres Substrat einzusetzen, das eine ausreichend große thermische Ausdehnung
aufweist, um den negativen Temperaturkoeffizienten des Brechungsindex
des polymeren Wellenleiterkern gerade zu kompensieren. Jedoch hat
ein Substrat aus Quarz oder Silizium im allgemeinen eine kleine
thermische Ausdehnung, und dem gemäß wird es nicht möglich sein,
soweit auf dieser Methode basiert, optische Wellenleiterschaltkreise
auf Siliziumsubstraten zu integrieren wie in konventioneller elektronischer Technologie,
wo Halbleiterbauelemente auf einem Siliziumsubstrat integriert werden.
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Die
optischen Eigenschaften von gerichteten Kopplern, die einen fluorierten
Polyamidwellenleiter benutzen, ist diskutiert in „Directional
Couplers Using Fluorinated Polyimide Waveguides" von Kobayashi, J. et al. in Journal
of Lightwave Technology, IEEE, New York, U.S., vol. 16, no. 4, 1
April 1998, pages 610 to 614. Dies zeigt, dass die Manipulation
der Brechungsindices der Mantelschichten und der Wellenleiterkerne
das Leistungskopplungsverhältnis
verbessern kann. Änderungen
des Leistungskopplungsverhältnisses
mit der Temperatur werden ebenfalls diskutiert.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, einen Kopplerschaltkreis für optische
Wellenleiter zur Verfügung
zu stellen, der im Wesentlichen unbeeinflusst von einer Änderung
der Umgebungstemperatur ist.
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Erfindungsgemäß umfasst
ein Kopplerschaltkreis für
optische Wellenleiter: ein Substrat; eine untere, auf dem Substrat
gebildete polymere Mantelschicht; mindestens zwei auf der unteren
polymeren Mantelschicht gebildete optische Polymerwellenleiter;
eine die optischen Wellenleiter überdeckende
obere Polymermantelschicht; Mehrfachrichtungskoppler, die durch
Auswählen
irgend eines Paares der wenigstens zwei optischen Wellenleiter erhalten
werden und die an mehreren Stellen nahe zueinander gebracht sind;
wobei jeder der optischen Wellenleiter zwei Enden besitzt, wobei
ein Ende als Eingabeanschluss und das andere Ende als Ausgabeanschluss
dient; die beiden gepaarten optischen Wellenleiter so konfiguriert
sind, dass der Unterschied ihrer wirksamen optischen Weglängen zwischen
willkürlich
gewählten
benachbarten direktionalen Kopplern als ΔL festgelegt ist, mit ΔL = 0,6 bis
0,8 μm,
jeder der Mehrfachrichtungskoppler einen Parallelabschnitt umfasst,
in welchem die zwei optischen Wellenleiter parallel zueinander angeordnet
sind, der optische Polymerwellenleiter aus einem Polymer hergestellt
ist, das einen Brechungsindex von 1,5182 bis 1,5667 aufweist, die
untere Polymermantelschicht aus einem Polymer hergestellt ist, das
einen Brechungsindex von 1,5136 bis 1,5620 aufweist, die obere Polymermantelschicht
aus einem Polymer hergestellt ist, das einen Brechungsindex von
1,5136 bis 1,5620 aufweist, die Länge der zwei optischen Wellenleiter
eines Richtungskopplers zwischen 0,031 und 0,072 mm gewählt ist,
wobei die Länge
der zwei optischen Wellenleiter des anderen Richtungskopplers gewählt ist
zwischen 0,982 bis 1,741 mm, der Abstand zwischen zwei parallel
verlaufenden Wellenleiter von 4,1 bis 6,4 μm für beide Richtungskoppler gewählt ist
und jeder der optischen Wellenleiter einen rechteckigen Querschnitt mit
einer Seitenlänge
von 6 bis 8 μm
aufweist.
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Das
Substrat kann aus einer Quarzplatte, einer Siliziumplatte oder einer
Polyamidharzplatte hergestellt sein.
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Die
beschriebenen Vorrichtungen benutzen einen Wellenleiterschaltkreis
auf Basis Mach-Zehnder-Interferometer, bei dem die Wellenleiter
auf einem Substrat angeordnet sind, das konventionelle IC-Technologie benutzt,
um gute Temperaturstabilität
zu gewährleisten,
während
der Vorteil geringer Herstellungskosten erhalten bleibt, was der
bedeutendste Antrieb für
die Einführung
von polymeren optischen Wellenleiterschaltkreisen ist. Die Vorrichtung
findet insbesondere Anwendung als ein Wellenlängenteilungs-Multiplexer oder
-Demultiplexer in beispielsweise der faseroptischen Kommunikation.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben,
wobei:
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1 ist
eine flache und seitliche Ansicht einer Kopplerschaltkreiseinrichtung
für einen
polymeren optischen Wellenleiter, der eine Ausführungsform der Erfindung repräsentiert;
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2 ist
eine flache Ansicht eines Wellenmischers als eine Anwendung des
polymeren optischen Wellenleiterschaltkreises;
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3 ist
ein Diagramm, das das Aufspaltungsverhältnis eines optischen Signals
der in 1 dargestellten Ausführungsform zeigt, wenn die
Wellenlänge
des optischen Signals variiert wird und die Umgebungstemperatur
bei 20°C
gehalten wird;
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4 ist
ein Diagramm das das Aufspaltungsverhältnis eines optischen Signals
der in 1 dargestellten Ausführungsform zeigt, wenn die
Wellenlänge
des optischen Signals variiert wird und die Umgebungstemperatur
bei 0°C
gehalten wird;
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5 ist
ein Diagramm das das Aufspaltungsverhältnis eines optischen Signals
der in 1 dargestellten Ausführungsform zeigt, wenn die
Wellenlänge
des optischen Signals variiert wird und die Umgebungstemperatur
bei 10°C
gehalten wird;
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6 ist
ein Diagramm das das Aufspaltungsverhältnis eines optischen Signals
der in 1 dargestellten Ausführungsform zeigt, wenn die
Wellenlänge
des optischen Signals variiert wird und die Umgebungstemperatur
bei 30°C
gehalten wird;
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7 ist
ein Diagramm das das Aufspaltungsverhältnis eines optischen Signals
der in 1 dargestellten Ausführungsform zeigt, wenn die
Wellenlänge
des optischen Signals variiert wird und die Umgebungstemperatur
bei 40°C
gehalten wird; und
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8 ist eine Aufsicht und eine Seitenansicht
eines optischen Wellenleiterschaltkreises 17 vom Mach-Zehnder-Interferometertyp.
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Eine
Kopplerschaltkreiseinrichtung für
polymere optische Wellenleiter 8, die gegenüber Änderungen der
Umgebungstemperatur stabil ist, die eine Ausführungsform dieser Erfindung
repräsentiert
und in 1 dargestellt ist, umfasst zwei optische Wellenleiterkerne 2, 3,
die auf der Oberfläche
eines Substrates, das aus einer Quarzplatte, einem Siliziumwafer
oder einer Polyamidharzplatte und ähnlichem hergestellt wurde,
gebildet wurden. Die optischen Wellenleiterkerne 2, 3 sind
von einer unteren Mantelschicht 6 und einer oberen Mantelschicht 7 bedeckt,
die beide auf dem Substrat gebildet werden.
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Die
Einrichtung 8 umfasst weiterhin bidirektionale Koppler 4, 5,
von denen jeder erhalten wurde, indem die beiden optischen Wellenleiter 2, 3 nahe
aneinander und parallel zueinander gebracht wurden. Bei der optischen
Schaltkreiseinrichtung 8 wurden die Querschnitte und Brechungsindices
der optischen Wellenleiterkerne 2, 3 und andere
Schaltkreisparameter optimiert, so dass die Performance der Einrichtung
beibehalten wird, selbst wenn das durch die Einrichtung hindurchgehende
Licht eine Wellenlängenverschiebung
erleidet oder die Umgebungstemperatur sich ändert.
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Wie
dies erreicht wird, wird nachfolgend beschrieben:
Bezug nehmend
auf
1 wird angenommen, dass Licht vom Anschluss
2a des
Wellenleiterkerns
2 in den optischen Schaltkreis
8 von
1 eintritt;
und das Licht wird mit dem Aufspaltungsverhältnis η in zwei Komponenten aufgespalten,
die dann als Ausgangssignale von den anderen Anschlüssen
2b,
3b der
optischen Wellenleiter
2,
3 geliefert werden.
Dann kann das Aufspaltungsverhältnis η, ausgedrückt in Leistung,
durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
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In
den obigen Gleichungen repräsentieren
Aout und Bout Amplituden
der Lichtwellen, die als Ausgangssignale von den Anschlüssen 2b, 3b der
optischen Wellenleiterkerne 2, 3 geliefert werden;
Lc1 und Lc2 die
totale Kopplungslänge
der direktionalen Koppler 4, 5; L1 und
L2 die Länge
der parallelen Abschnitte der direktionalen Koppler 4, 5;
Le1 und Le2 die äquivalente
inkrementale Länge
der parallelen Abschnitte der direktionalen Koppler 4, 5; β die Transmissionskonstante
der Wellenleiter 9 und 10 für eine Mode der Lichtwellen;
und ΔL die
optische Wegdifferenz zwischen den zwei optischen Wellenleiternkernen 2, 3.
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Lc1 und Lc2 sowie
Le1 und Le2 können als
Funktion der folgenden Parameter ausgedrückt werden: λ, die Wellenlänge einer
Lichtwelle; w und t, die Breite und Dicke der optischen Wellenleiterkerne 2, 3;
ng den Brechungsindex der optischen Wellenleiterkerne 2, 3;
nc den Brechungsindex der Mantelschichten 6, 7;
und s1 und s2 den
Zwischenraum der parallelen Abschnitte der direktionalen Koppler 4, 5.
Daher gilt: Lci = Lci (λ, w, t, ng, nc, si),
i = 1, 2, (5) Lei =
Lei (λ,
w, t, ng, nc, si), i = 1, 2, (6)
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Die
Transmissionskonstante β kann
als Funktion der folgenden Parameter ausgedrückt werden: λ, die Wellenlänge einer
Lichtwelle; w und t, die Breite und Dicke der optischen Wellenleiterkerne 2, 3;
ng den Brechungsindex der optischen Wellenleiterkerne 2, 3;
und nc den Brechungsindex der Mantelschichten 6, 7,
wie folgt. β = β(λ, w, t, ng, nc) (7)
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Der
Brechungsindex ng der optischen Wellenleiterkerne 2, 3 und
der Brechungsindex nc der Mantelschichten 6, 7 kann
als Funktion der Umgebungstemperatur T und der Wellenlänge λ einer Lichtwelle
ausdrückt
werden, wie folgt. ng = ng(λ, T) (8) nc =
nc(λ,
T) (9)
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Für eine gegebene
Lichtwelle, die eine gewisse Bandbreite hat, in einem gegebenen
Temperaturbereich arbeitet, einer Breite w und einer Dicke t der
optischen Wellenleitekerne
2,
3; Zwischenräumen s
1 und s
2 der parallelen
Abschnitte der direktionalen Koppler
4,
5; dem
Brechungsindex n
g der optischen Wellenleiterkerne
2,
3;
dem Brechungsindex n
c der Mantelschichten
6,
7;
den Längen
L
1 und L
2 der parallelen
Abschnitte der direktionalen Koppler
4,
5; und
der optischen Wegdifferenz ΔL
zwischen den beiden optischen Wellenleiterkernen
2,
3 werden
richtig gewählt,
um die folgenden simultanen Gleichungen zu erfüllen:
η(λ, T) = 50
% ± δη (10) -
Der
resultierende optische Wellenleiterschaltkreis wird eine Lichtwelle
mit einem spezifizierten Aufspaltungsverhältnis unabhängig von ihrer Wellenlänge aufspalten
und von der Umgebungstemperatur unbeeinflusst sein.
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In
obiger Berechnung werden σλ und σT so gewählt, dass δη ≥ 1%.
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Der
polymere optische Wellenleiterkopplerschaltkreis 8, der
stabil gegen Umgebungstemperaturänderungen
und nach der obigen Methode hergestellt wurde, hat folgende optimierte
Parameter, wie unten beschrieben.
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In
Bezug auf die optische Schaltkreiseinrichtung, wie in 1 dargestellt,
besteht ihr Substrat 1 aus Quarz, Silizium oder ein Polyamidharz
und ähnlichem;
die optischen Wellenleiter 2, 3 aus einem Polymer,
das einen Brechungsindex ng von 1,5182 bis
1,5667 aufweist; und die untere und obere Mantelschicht 6, 7 zur
Abdeckung der der optischen Wellenleiter 2, 3 aus
einem anderen Polymer, das einen Brechungsindex nc von 1,5136
bis 1,5620 aufweist. Jeder der optischen Wellenleiter 2, 3 hat
einen rechteckigen Querschnitt mit einer Seite von 6 bis 8 μm; der parallele
Abschnitt des direktionalen Kopplers 4 hat eine Länge L1 von 0,031 bis 0,072 oder 0,982 bis 1,741
mm; der parallele Abschnitt des direktionalen Kopplers 5 hat
eine Länge
L1 von 0,982 bis 1,741 oder 0,031 bis 0,072
mm; der Zwischenraum der parallelen Wellenleiter in dem direktionalen
Koppler 4 hat eine Abmessung S1 von
4,1 bis 6,4 μm;
der Zwischenraum der parallelen Wellenleiter in dem direktionalen Koppler 5 hat
eine Abmessung S2 von 4,1 bis 6,4 μm; und die
optische Wegdifferenz ΔL
der beiden optischen Wellenleiter 2, 3 beträgt 0,6 bis
0,8 μm.
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Beispiele
werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Beispiel
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1 zeigt
einen optischen Wellenleiterkopplerschaltkreis.
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Die
Kopplerschalkreiseinrichtung für
optische Wellenleiter 8, die stabil gegen Änderungen
der Umgebungstemperatur ist, umfasst zwei optische Wellenleiterkerne 2, 3,
die auf einem Substrat 1, das aus einer Quarzplatte hergestellt
wurde, wie in 1 gezeigt.
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Die
optischen Wellenleiterkerne 2, 3 sind aus einem
Polymermaterial, das einen Brechungsindex ng von
1,5182 bis 1,5667 aufweist, wie in der Figur dargestellt, hergestellt
sind mit einem rechteckigen Querschnitt mit einer Seitenlänge von
6 bis 8 μm.
Das Material für
die unteren und oberen Mantelschichten 6, 7, die die
optischen Wellenleiterkerne 2, 3 bedecken, ist
ein Polymer mit einem Brechungsindex nc von
1,5136 bis 1,5620.
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Die
optischen Wellenleiterkerne 2, 3 bilden zwei direktionale
Koppler 4, 5, indem sich diese an zwei Stellen
annähern
und zueinander parallel verlaufen. Für den direktionalen Koppler 4 ist
die Länge
L1 des parallelen Abschnitts 0,031 bis 0,072
mm und der Zwischenraum S1 zwischen den
parallel verlaufenden Wellenleitern ist 4,1 bis 6,4 μm. Für den direktionalen
Koppler 5 sind die korrespondierende Länge L2 und
der Zwischenraum S2 0,982 bis 1,741 mm bzw.
4,1 bis 6,4 μm.
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Es
braucht nicht gesagt zu werden, dass die Werte von L1 und
L2 gegeneinander vertauscht werden können, das
heißt,
L1 kann 0,982 bis 1,741 mm und L2 kann 0,031 bis 0,072 mm annehmen.
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Die
optischen Wellenleiterkerne 2, 3 sind so konfiguriert,
dass ihre optische Weglänge
in den Bereich von 0,6 bis 0,8 μm
fällt.
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Eine
beispielhafte Methode zur Herstellung der polymeren optischen Wellenleiter-Kopplungsschaltkreiseinrichtung 8,
die stabil gegen Änderungen
der Umgebungstemperatur ist, wird nachfolgend beschrieben.
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Eine
Quarzplatte, die als Substrat dienen soll, wird hergestellt. Eine
Lösung
eines Polymers, das die untere Mantelschicht bilden soll, wird durch
Auflösen
gleicher molekularer Mengen von 4,4'-(Hexafluoroisopropyliden)diphthalsäureanhydrid
und 2,2'-Bis(trifluoromethyl)-4,4'-diaminobiphenyl
in N,N-Dimethylacetamid hergestellt,
und die Lösung
wird bei 25°C
24 Stunden in Gegenwart von Stickstoff gerührt. Die erhaltene Lösung wird
durch Spincoating auf das Substrat 1 aufgebracht, um darauf
eine Beschichtung zu erzeugen. Der Aufbau wird von dem Lösungsmittel
befreit und einer Wärmebehandlung
unterzogen, um die polymere untere Mantelschicht 6 mit
einer Dicke von etwa 20 mm auf dem Substrat 1. zu bilden.
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Eine
Lösung
eines anderen Polymers wird wie folgt erzeugt: Ein Teil des Diamins,
das zur Erzeugung des Polymers für
die Bildung der unteren Mantelschicht benutzt wurde, d. h. ein Teil
des 2,2'-Bis(trifluoromethyl)-4,4'-diaminobiphenyls
wird durch ein anderes Diamin, 4,4'-Diaminodiphenylester, ersetzt, und
zwei Diamine werden zum 4,4'-(Hexafluoroisopropyliden)diphthalsäureanhydrid
hinzugefügt,
so dass die addierten molekularen Mengen der Diamine gleich der
molekularen Menge der letzten entspricht. Die erhaltene Lösung wird wie
oben behandelt und durch Spincoating auf den obigen Aufbau aufgebracht,
um eine Beschichtung auf der Schicht zu bilden, die als untere Mantelschicht
dient. Der Aufbau wird von dem Lösungsmittel
befreit und einer Wärmebehandlung
unterzogen, um eine polymere Kernschicht einer Dicke von 8μm zu bilden,
die einen Brechungsindex hat, der um 0,25 bis 0,45 % größer ist,
als der der unteren Mantelschicht 6.
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Auf
der Oberfläche
der Kernbeschichtung wird ein spezifiziertes optisches Wellenleitermuster
mittels Fotoresist erzeugt. Die Kernbeschichtung wird mittels Schablone
geätzt
mittels reaktiver Ionenätzung
in der Gegenwart von Sauerstoff, um die Wellenleiterkerne 2, 3 mit
der konstruktionsgemäßen Konfiguration
auszubilden. Danach wird dieselbe Polymerlösung wie für die Erzeugung der unteren
Mantelschicht durch Spincoating auf den Aufbau aufgebracht. Der
erhaltene Aufbau wird von dem Lösungsmittel
befreit und einer Wärmebehandlung
unterzogen. Auf diese Weise wird eine obere Mantelschicht 7 über den
optischen Wellenleiterkernen 2, 3 gebildet, um
die letzteren einzubetten. Die obere Mantelschicht 7 muss
einen größeren Brechungsindex
haben als die Wellenleiterkerne, muss aber nicht denselben Brechungsindex
haben wie die untere Mantelschicht 6.
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Das
obige Beispiel bezieht sich auf ein Substrat aus einer Quarzplatte.
Das Substrat 1 kann aus einer Siliziumplatte oder einer
Polyamidplatte bestehen. Der optische Wellenleiterkern kann einen
rechteckigen Querschnitt mit einer Breite w und eine Dicke t haben.
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Mit
der obigen beispielhaften Kopplerschaltkreiseinrichtung für optische
Wellenleiter 8, die stabil gegen Änderungen der Umgebungstemperatur
ist, wurde ein Performancetest durchgeführt. Die Testergebnisse sind
folgende.
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In
einer Umgebung, in der die Temperatur bei 20°C gehalten wurde, erhält die in 1 dargestellte polymere
optische Wellenleiterschaltkreiseinrichtung 8, die gegen Änderungen
der Umgebungstemperatur stabil ist, sieben Lichtwellen, das heißt, Lichtwellen
mit Wellenlängen
von 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590 und 1610 nm vom Anschluss 2a des
optischen Wellenleiterkerns 2. Die Lichtwellen wurden während ihres Durchgangs
durch den Schaltkreis aufgespaltet und an die Ausgänge 2b, 3b der
optischen Wellenleiterkerne 2, 3 geliefert. Für jede Lichtwelle
wurde das Verhältnis
ihrer Leistungsausgabe (Leistungsaufspaltungsverhältnis) von
den beiden gegenüberliegenden
Anschlüssen
bestimmt und das Leistungsaufspaltungsverhältnis als Funktion der Wellenlänge in aufgetragen,
wie in 3 dargestellt. Das Leistungsaufspaltungsverhältnis für jede Wellenlänge innerhalb
der Bandbreite von 120 nm ist 50 ± 0,69%.
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Danach
wird die Umgebungstemperatur auf 0, 10, 30 und 40°C geändert und
die Messung wie an der bei 20°C
gehaltenen Einrichtung wiederholt. Für jede Temperatur wurde das
Leistungsaufspaltungsverhältnis als
Funktion der Wellenlänge
aufgetragen. Wie aus den Figuren ersichtlich, sind die Leistungsaufspaltungsverhältnisse
im Bereich von 50 ± 0,67,
50 ± 0,70,
50 ± 0,69
bzw. 50 ± 0,68.
Sie wurden kaum von den Änderungen
der Umgebungstemperatur beeinflusst.
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Wie
aus den 3 und 7 ersichtlich,
zeigen die beiden Enden der Bandbreite, d.h. 1490 und 1610nm, selbst
bei Änderung
der Umgebungstemperatur von 0° bis
40°C kaum
eine erwähnenswerte Änderung
ihres Leistungsaufspaltungsverhältnisses,
d.h. die maximalen tatsächlich
beobachteten Änderungen
betrugen nur 0,06 bzw. 0,002%. Es hat sich nahezu keine Bandverschiebung
bei einer bemerkenswerten Änderung
der Umgebungstemperatur ergeben.
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Wie
oben gezeigt, werden mit der polymeren optischen Wellenleiterkopplerschaltkreiseinrichtung 8, die
stabil gegen Änderungen
der Umgebungstemperatur ist, optische Signale, die in eine Bandbreite
von 120 nm bei einer zentralen Wellenlänge von 1550 nm fallen, wie
sie in der faseroptischen Kommunikation auf Basis dichter Wellenlängenteilungsmultiplexing
eingesetzt werden, zuverlässig
geroutet, weil ihre Wellenlänge
während
des Durchgangs durch die Einrichtung kaum modifiziert wird, selbst
wenn sich die Umgebungstemperatur von 0° auf 40°C ändert. Dementsprechend kann
die polymere optische Wellenleiterkopplerschaltkreiseinrichtung 8,
die gegen Änderungen
der Umgebungstemperatur stabil ist, als eine ihrer Anwendungen als
thermisch stabile Koppler 11, 12 eingesetzt werden,
die einen polymeren optischen Wellenleiter-Wellenmischer darstellen,
wie in 2 gezeigt.
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Es
braucht nicht erwähnt
zu werden, dass der Gebrauch des Schaltkreises nicht auf polymere
optische Wellenleiter-Wellenmischer
beschränkt
ist. Beispielsweise können
die Schaltkreise an zwei 1 × N-kanalige
optische Wellenleitersplitter angeschlossen werden, um 2 × 2N-kanalige
optische Wellenleitersplitter zu erzeugen, die gegen Änderungen
der Umgebungstemperatur stabil sind.
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Die
Querschnitte und Brechungsindices der Wellenleiter und die Parameter
anderer Schaltkreiselemente, die die polymere optische Wellenleiterkopplerschaltkreiseinrichtung
darstellen, sind optimiert, so dass Licht, das durch die Einrichtung
hindurchgeht, zuverlässig
seine Wellenlänge
beibehält,
ohne von Änderungen der
Umgebungstemperatur beeinflusst zu werden. Der Effekt der Änderung
der Umgebungstemperatur auf das Leistungsaufspaltungsverhältnis, das
andernfalls auftreten würde,
ist offenbar minimiert.
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Wie
oben dargestellt, werden mit der polymeren optischen Wellenleiterkopplerschaltkreiseinrichtung, wie
beschrieben, optische Signale, die in eine Bandbreite von 120 nm
mit einer zentralen Wellenlänge
von 1550 nm fallen, die in der optischen Kommunikation auf Basis
von dichten Wellenlängenteilungs-Multiplexern eingesetzt
werden, zuverlässig
geroutet, selbst wenn die Umgebungstemperatur sich von 0° auf 40°C ändert, ohne
dass gewisse Wärmeisolationsmittel
erforderlich sind.
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Weil
der erfindungsgemäße optische
Wellenleiterschaltkreis wie oben beschrieben optimiert ist, werden
selbst Wellenlängen
an den Enden der Bandbreite kaum von einer Änderung der Umgebungstemperatur beeinflusst,
und es gibt beidseitig keine Bandverschiebung. Daher kann er als
eine seiner Anwendungen als ein thermisch stabiler polymerer optischer
Wellenleiter-Wellenmischer
eingesetzt werden.
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Weil
die Methode, die mit der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt
wird, die optische Wellenleiterkopplereinrichtung durch den Einsatz
derselben Materialien, die bei konventionel len optischen Wellenleitereinrichtungen
eingesetzt werden, optimiert, ist es nicht erforderlich, den konventionellen
Herstellungsprozess selbst zu verändern. Auf diese Weise stellt
die Methode dieser Erfindung die Produktion von optischen Wellenleiterschaltkreisen,
die gegen Änderungen
der Umgebungstemperatur stabil sind, sicher, indem sie den Vorteil
der konventionellen Herstellungsmethode für polymere optische Wellenleiterschaltkreise
beibehält,
d.h. geringe Herstellungskosten.
