DE60315599T2

DE60315599T2 - Multimode-Interferenz-Lichtwellenleitervorrichtung

Info

Publication number: DE60315599T2
Application number: DE60315599T
Authority: DE
Inventors: Richard Michael Malvern JENKINS; Mark Edward Malvern MCNIE
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: KR20040077903A; CN101025459A; AU2003208387A1; CA2474886A1; US7072542B2; CN100533190C; HK1107845A1; WO2003065088A3; WO2003065088A2; EP1472560B1; EP1472560A2; CA2474886C; GB0201950D0; CN1643420A; US20050053322A1; JP2005516252A; ATE370433T1; CN100362380C; ES2288210T3; HK1080948A1

Description

Die Erfindung betrifft Multimode-Interferenz-Lichtwellenleitervorrichtungen (MMI-Lichtwellenleitervorrichtungen).
Die Druckschrift US 5 410 625 beschreibt eine Multimode-Interferenz-Vorrichtung (MMI-Vorrichtung) zum Aufteilen und Zusammenführen eines Strahls. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Kopplungswellenleiter und zwei oder mehrere zweite Kopplungswellenleiter, die mit einem zentralen Multimode-Wellenleiterbereich verbunden sind. Die Kopplungswellenleiter arbeiten nur im Grundmode und die physikalischen Merkmale der Kopplungs- und Multimode-Wellenleiterbereiche werden so ausgewählt, dass die Modendispersion innerhalb des zentralen Multimode-Wellenleiterbereichs dafür sorgt, dass ein in den ersten Kopplungswellenleiter eingespeister einzelner Strahl auf die zwei oder mehreren zweiten Kopplungswellenleiter aufgeteilt wird. Die Vorrichtung kann auch in umgekehrter Richtung als Strahlzusammenführung betrieben werden.
Abwandlungen und Verbesserungen der in der Druckschrift US 5 410 625 angegebenen grundlegenden MMI-Vorrichtungen sind ebenfalls bekannt. Die Druckschrift US 5 379 354 beschreibt, wie eine Modifizierung der Lage des Eingangsleiters dazu verwendet werden kann, um einen Mehrfachstrahlteiler zu erhalten, der eine Aufteilung der Eingangsstrahlung in Ausgangsstrahlen mit unterschiedlichen Intensitäten ermöglicht. Außerdem wurde in der Druckschrift US 5 675 603 auch die Verwendung von MMI-Vorrichtungen zur Ausbildung von Laserresonatoren nachgewiesen. Verschiedene Kombinationen von MMI-Aufteilungs- und -Zusammenführungsvorrichtungen wurden auch dazu verwendet, um die Möglichkeit einer opti schen Leitweglenkung vorzusehen; siehe hierzu zum Beispiel die Druckschrift US 5 428 698 .
Es sind Vollkern-MMI-Wellenleitervorrichtungen bekannt, bei denen die Kopplungs- und Multimode-Wellenleiter von Vollstegen aus einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Gallium Arsenid (GaAs) gebildet werden, wobei die Stege auf einem Substrat aufliegen. Vollkern-MMI-Wellenleitervorrichtungen werden üblicherweise aus GaAs-Schichten gefertigt. Ein Nachteil der Vollkernmaterialien besteht in der begrenzten Gesamtleistungsdichte, die ohne Schädigung des Vollkernmaterials durch sie übertragen werden kann.
Es sind auch MMI-Vorrichtungen bekannt, bei denen die Kopplungs- und Multimode-Wellenleiter als Hohlraumresonatoren (d. h. Luftraumresonatoren) innerhalb von Substraten aus massivem dielektrischem Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, ausgebildet sind. Es werden dielektrische Substratmaterialien gewählt, deren Brechungsindex bei der jeweils zum Betrieb der Vorrichtung verwendeten Wellenlänge geringer ist als der des Luftkerns. Dielektrische Hohlleitervorrichtungen werden üblicherweise mittels feinwerktechnischer Verfahren (z. B. Fräsen) gefertigt und weisen üblicherweise größere Abmessungen auf, als ihre Gegenstücke mit Vollkernen. Das bei solchen Vorrichtungen im Hinblick auf eine optimale Betriebsleistung wichtige präzise Einhalten der Abmessungen kann sich als Herausforderung erweisen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative MMI-Lichtwellenleitervorrichtung anzugeben.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Multimode-Interferenzvorrichtung (MMI-Vorrichtung) einen an zumindest einem Hohlkern-Eingangs-Wellenleiter optisch gekoppelten, rechteckförmigen Hohlkern-Multimodewellenleiterbereich und ist dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Oberflächen der Hohlkern-Wellenleiter eine reflektierende Beschichtung aufweisen, wobei einander gegenüberliegende, der den rechteckförmigen inneren Querschnitt des Hohlkern-Multimodewellenleiterbereichs bildenden Oberflächen im Wesentlichen die gleichen effektiven Brechungsindizes aufweisen und einander benachbarte, der den rechteckförmigen inneren Querschnitt des Hohlkern-Multimodewellenleiterbereichs bildenden Oberflächen unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen können so angeordnet werden, dass sie bei der Leitung von Licht mit bekannter linearer Polarisation geringere optische Verluste aufweisen. Vorzugsweise werden die Abmessungen (d. h. Breite, Länge und Tiefe) des Hohlkern-Multimodewellenleiterbereichs so gewählt, dass eine Umbildung des von zumindest einem Hohlkern-Eingangs-Wellenleiter transportierten optischen Feldes erreicht wird. Erfindungsgemäße Hohlkern-MMI-Vorrichtungen können als Strahlzusammenführungen, Strahlteiler, Mehrfach-Strahlintensitätsaufteiler usw. eingesetzt werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Hohlkern-Wellenleiterstrukturen (d. h. das Substrat, das die Hohlkern-Wellenleiterstrukturen definiert), auf denen die reflektierende Beschichtung angeordnet ist, aus einem beliebigen Material erstellt werden können. Dies ist ein Vorteil gegenüber den Hohlkern-MMI-Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, die aus bestimmten Ma terialien (wie beispielsweise Aluminiumoxid) gefertigt werden, um eine Minimierung der optischen Verluste sicherzustellen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher die Herstellung der Wellenleiter unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien und Verfahren, die von den Fachleuten bisher als nicht geeignet angesehen wurden. Die Erfindung eröffnet insbesondere die Möglichkeit zur Herstellung von Hohlkern-Wellenleitervorrichtungen mit kleinen Abmessungen unter Einsatz hochpräziser Mikrofabrikationstechniken. Die aufgrund der Verwendung herkömmlicher Feinwerktechniken bestehenden Beschränkungen bezüglich der minimalen Größe von Hohlkern-Vorrichtungen werden so überwunden.
Es sollte angemerkt werden, dass die Hohlkern-Wellenleiter auf verschiedene Weise hergestellt werden können. Die Wellenleiter können aus einem einzigen Werkstück hergestellt werden, sie können aus zwei unterschiedlichen Werkstücken (wie beispielsweise aus einem Grundkörper und einer Abdeckung) gebildet werden, sie können aber auch aus einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstücke (z. B. aus gesonderten Materialabschnitten, die zusammengesetzt die erforderlichen Grundmode- und Multimode-Wellenleiterbereiche festlegen) gebildet werden.
Die erfindungsgemäßen Hohlkern-Wellenleiter gestatten einen Betrieb der Vorrichtung mit hohen optischen Leistungen. Dies stellt einen Vorteil gegenüber den Vollkern-Wellenleitern nach dem Stand der Technik dar, bei denen die maximale optische Leistungsdichte durch die physikalischen Eigenschaften des den Vollkern bildenden Materials beschränkt ist.
Die reflektierende Beschichtung weist vorteilhaft eine Materialschicht mit einem Brechungsindex auf, der innerhalb des genutzten Wellenlängenbands geringer ist, als der des Wellenleiterkerns. Die Materialschicht mit einem geringeren Brechungsindex, als dem des hohlen Wellenleiterkerns, erzeugt eine interne Totalreflektion (TIR für englisch total internal reflection) des Lichts innerhalb der MMI-Vorrichtung, wodurch für eine Hohlkern-Vorrichtung mit geringen begleitenden optischen Verlusten gesorgt ist.
Es sollte hierbei angemerkt werden, dass sich der Hohlkern bei der Herstellung der Hohlkern-Lichtwellenleiterstrukturen wahrscheinlich mit Luft füllt. In dieser Schrift wird daher angenommen, dass der Brechungsindex des Kerns dem von Luft bei Atmosphärendruck und -temperatur (d. h. n ≈ 1) entspricht. Dies sollte jedoch in keiner Weise als den Umfang der Erfindung beschränkend angesehen werden. Der Hohlkern kann ein beliebiges Fluid (zum Beispiel ein inertes Gas wie beispielsweise Stickstoff) oder ein Vakuum enthalten. Der Ausdruck Hohlkern bezieht sich lediglich auf einen Kern, der kein Festkörpermaterial aufweist. Außerdem ist der Ausdruck der internen Totalreflektion (TIR) in dieser Schrift so zu verstehen, dass er eine gedämpfte interne Totalreflektion (ATIR für englisch attenuated total internal reflection) umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform wird die an der inneren Oberfläche des Hohlkern-Wellenleiters angeordnete Materialschicht mit geringem Brechungsindex von einem Metall gebildet; zum Beispiel von Gold, Silber oder Kupfer.
Die Eigenschaften von Gold, Silber und Kupfer machen diese Metalle daher für die Verwendung in MMI-Vorrichtungen, die bei den von der Telekommunikation genutzten Wellenlängenbändern (d. h. zur Verwendung bei Wellenlängen, die um etwa 1,55 μm zentriert sind) eingesetzt werden, zu besonders geeigneten.
Metalle besitzen über einen Wellenlängenbereich, der von den physikalischen Eigenschaften des jeweiligen Metalls bestimmt wird, einen geeignet geringen Brechungsindex; Standardlehrbücher, wie beispielsweise "The Handbook of Optical Constants" von E. D. Palik, Academic Press, London, 1998, geben genaue Daten über die wellenlängenabhängigen Brechungsindizes verschiedener Materialien an. Insbesondere weist Gold bei Wellenlängen im Bereich von etwa 1.400 bis 1.600 nm einen geringeren Brechungsindex als Luft auf. Kupfer zeigt über einen Wellenlängenbereich von 560 bis 2.200 nm einen Brechungsindex kleiner Eins, und Silber weist über einen Wellenlängenbereich von 320 bis 2.480 nm ähnliche Brechungsindexeigenschaften auf.
Die Metallschicht kann unter Verwendung einer Vielzahl von den Fachleuten bekannten Verfahren abgeschieden werden. Die Verfahren umfassen Kathodenzerstäubung, Aufdampfen, chemische Gasphasenabscheidung (CVD für englisch Chemical Vapour Deposition) und (stromgestütztes oder stromloses) galvanisches Abscheiden. CVD und Galvanotechniken ermöglichen das Abscheiden der Metallschichten ohne irgendwelche richtungsabhängigen Dickenschwankungen. Galvanotechniken ermöglichen außerdem eine Bearbeitung in Chargen.
Für einen Fachmann ist dabei ersichtlich, dass an dem Hohlkern-Wellenleiter vor dem Abscheiden der Metallschicht Haftschichten und/oder Diffusionssperrschichten abgeschieden werden können.
Zum Beispiel könnte eine Chrom- oder Titanschicht als Haftschicht vor einer Goldabscheidung vorgesehen sein. Außerdem könnte vor der Goldabscheidung auch eine Diffusionssperrschicht, wie beispielsweise Platin, auf der Haftschicht abgeschieden werden. Als Alternative könnte eine kombinierte Haft- und Diffusionssperrschicht (wie beispielsweise Titannitrid oder eine Titan-Wolfram-Legierung oder ein Isolator wie beispielsweise Siliciumoxid) verwendet werden.
Günstigerweise kann die reflektierende Beschichtung auch eine oder mehrere Schichten aus einem dielektrischen Material umfassen. Das dielektrische Material kann mittels CVD oder Kathodenzerstäubung abgeschieden werden. Alternativ hierzu kann eine dielektrische Schicht durch eine chemische Reaktion mit einer abgeschiedenen Metallschicht ausgebildet werden. Zum Erzeugen einer dünnen Silberhalogenidschicht könnte eine chemische Reaktion zwischen einer abgeschiedenen Silberschicht und einem Halogenid bewirkt werden. Zum Beispiel könnte an der Silberoberfläche eine Silberjodid-Beschichtung (AgI-Beschichtung) ausgebildet werden, indem diese I₂ in Form einer Kaliumjodid-Lösung (KI-Lösung) ausgesetzt wird.
Mit anderen Worten kann die reflektierende Beschichtung als ein durchgängig dielektrischer Stapel oder als eine Schichtfolge von Metallen und Dielektrika ausgebildet sein. Für einen Fachmann ist dabei ersichtlich, dass die optische(n) Dicke(n) der dielektrischen Schichten) die erforderlichen Interferenzeffekte festlegen und so die reflektierenden Eigenschaften der Beschichtung bestimmen. Die reflektierenden Eigenschaften der Beschichtung können in gewissem Masse auch von den Eigenschaften des Materials abhängen, aus dem die Hohlkern-Wellenleiter erstellt werden.
Die Vorrichtung kann vorteilhaft so ausgebildet werden, dass sie über den Wellenlängenbereich von 0,1 bis 20,0 μm und vorzugsweise in dem Infrarotbändern von 3–5 μm oder von 10–14 μm betrieben werden kann. Die Vorrichtung kann vorteilhaft mit einer Strahlung betrieben werden, die eine Wellenlänge im Bereich von 1,4 bis 1,6 μm aufweist.
Günstigerweise wird der zumindest eine Hohlkern-Eingangs-Wellenleiter von einem Grundmode-Wellenleiter gebildet. Als Alternative wird der zumindest eine Hohlkern-Eingangs-Wellenleiter von einem Multimode-Wellenleiter gebildet. Wie weiter unten genauer beschrieben werden wird, kann ein Grundmode- oder Multimode-Wellenleiter dazu verwendet werden, Strahlung in den Hohlkern-Multimodewellenleiterbereich ein- bzw. auszukoppeln.
Vorzugsweise umfasst der zumindest eine Hohlkern-Eingangs-Wellenleiter eine Hohlkern-Lichtleitfaser. Mit anderen Worten kann eine Hohlkern-Lichtleitfaser zur direkten Einkopplung von Strahlung in den Multimode-Wellenleiterbereich ausgebildet sein.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung zusätzlich eine Lichtleitfaser auf, die an den Hohlkern-Multimodewellenleiterbereich optisch direkt gekoppelt ist. Die Lichtleitfaser kann einen Hohlkern oder einen Vollkern aufweisen.
Bei einigen, nicht von den Ansprüchen abgedeckten Beispielen kann der Hohlkern-Multimodewellenleiterbereich einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei der Durchmesser und die Länge des Hohlkern-Multimodewellenleiterbereichs so gewählt wird, dass eine Umbildung des über den zumindest einen Hohlkern- Eingangs-Wellenleiter übertragenen optischen Eingangsfeldes erreicht wird. Zu beachten ist hierbei, dass mit einem solchen kreisförmigen Multimodebereich keine Strahlaufteilung möglich ist, sondern nur Umbildungseffekte beobachtet werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die an einer internen Oberfläche des Hohlkern-Wellenleiters angeordnete Materialschicht von Siliciumkarbid gebildet. Wie oben beschrieben, lässt sich die zusätzliche Materialschicht mit niedrigem Brechungsindex so wählen, dass ein effizienter MMI-Betrieb bei jeder der erforderlichen Wellenlängen möglich ist. Der Brechungsindex von Siliciumkarbid beträgt bei 10,6 μm 0,06, so dass sich dieses Material insbesondere zur Verwendung in MMI-Vorrichtungen eignet, die bei einer solchen Wellenlänge betrieben werden.
Die Hohlkern-Wellenleiter werden günstigerweise aus einem Halbleitermaterial gebildet; zum Beispiel aus Silicium oder aus III-V-Halbleitermaterialien, wie beispielsweise GaAs, InGaAs, AlGaAs oder InSb. Das Halbleitermaterial kann in Form von Wafern zur Verfügung stehen. Die Hohlkern-Wellenleiter werden vorteilhaft unter Verwendung von Halbleitermikrofabrikationsverfahren ausgebildet. Vorzugsweise liefern derartige Mikrofabrikationsverfahren Grundmode-Wellenleiter, die einen Querschnitt von weniger als 3 mm oder wünschenswerterweise von weniger als 1 mm aufweisen.
Für einen Fachmann ist ersichtlich, dass Mikrofabrikationsverfahren zum Festlegen des Musters in dem Substratmaterial oder einer darauf befindlichen Schicht üblicherweise einen Lithografieschritt umfassen, dem ein Ätzschritt folgt. Der Lithografieschritt kann eine Fotolithografie, eine Röntgenstrahllithografie oder eine Elektronen strahllithografie umfassen. Der Ätzschritt kann unter Verwendung von Ionenstrahlätzen, chemischem Ätzen, Plasmatrockenätzen oder tiefem Trockenätzen (auch tiefes Siliciumätzen genannt) ausgeführt werden. Vorzugsweise werden tiefe Plasmaätzverfahren (DRIE für englisch Deep Reactive Ion Etching) verwendet.
Unter Verwendung solcher Mikrofabrikationstechniken erstellte Wellenleiter erlauben Hohlkern-Wellenleiter mit wesentlich geringeren Abmessungen als die der hohlen dielektrischen Wellenleiter nach dem Stand der Technik. Mikrofabrikationsverfahren dieser Art sind auch mit verschiedenen Schichtabscheideverfahren, wie beispielsweise der Kathodenzerstäubung, der Galvanotechnik, der CVD oder anderen Verfahren auf der Grundlage chemischer Reaktionen kompatibel.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Hohlkern-Wellenleiter aus Kunststoff oder aus einem Polymer gebildet. Die Hohlkern-Wellenleiter können zum Beispiel unter Anwendung eines Lithografieverfahrens auf eine "Spin-On"-Polymerbeschichtung (Aufschleuder-Polymerbeschichtung) (z. B. SU8, das von der Microchem. Corporation bezogen werden kann) gebildet werden.
Kunststoffwellenleitervorrichtungen können mit Verfahren hergestellt werden, die Heißprägen oder Spritzgießen umfassen. Das Verfahren umfasst die Ausbildung einer Formwerkzeugs. Das Formwerkzeug kann unter Verwendung eines tiefen Trockeätzverfahrens aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silicium, gebildet werden. Als Alternative kann das Formwerkzeug durch Elektroabscheidung von Schichten unter Verwendung des LIGA- oder UV-LIGA-Verfahrens erstellt werden. Nach der Ausbildung des Formwerkzeugs können die Hohlkern-Wellenleiter aus einem Plastiksubstrat durch Prägen (d. h. Pressen) oder Heißprägen gebildet werden. Die so erstellten hohlen Kunststoffwellenleiter können dann mit einer reflektierenden Beschichtung überzogen werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Hohlkern-Wellenleiter aus Glas, wie zum Beispiel Quarz, Siliciumdioxid usw., gebildet.
Günstigerweise weist der Hohlkern der Vorrichtung eine Flüssigkeit oder ein Gas, wie beispielsweise Luft, auf.
Um eine Lichtverstärkung innerhalb der Hohlkern-Wellenleiter vorzusehen, kann vorteilhaft auch ein gasförmiges optisches Verstärkermedium verwendet werden. Die Verwendung eines solchen gasförmigen Verstärkermediums in dem Hohlkern-Multimodebereich gestattet insbesondere einen hohen Verstärkungsgrad. Das gasförmige Verstärkermedium könnte zum Beispiel von einer Gasentladung gebildet werden, die aus einer Mischung von CO₂, N₂ und He gebildet wird. Dies würde die Verstärkung einer Strahlung bei 10,6 μm ermöglichen.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst ein optischer Verstärker einen N-fach-Strahlteiler, einen optischen Multielementverstärker und eine Strahlzusammenführung, wobei diese optisch in Reihe geschaltet sind und der optische Verstärker auf zumindest einen der Ausgänge des N-fach-Strahlteilers einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der N-fach-Strahlteiler oder die Strahlzusammenführung eine Hohlkern-Multimode-Interferenzvorrichtung gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung aufweisen.
Mit anderen Worten umfasst ein optischer Verstärker eine MMI-Vorrichtung nach einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung. Die Verwendung einer solchen MMI-Vorrichtung ermöglicht es dem Verstärker, hohe optische Leistungen verfügbar zu machen. Dies ist ein Vorteil gegenüber den Verstärkern nach dem Stand der Technik, die aus Vollkern-Wellenleitern hergestellt werden, bei denen die maximale optische Leistungsdichte durch die physikalischen Eigenschaften des den Kern bildenden Materials beschränkt ist. Dadurch wird eine hochwertige Aufteilung-Verstärkung-Zusammenführungskombination möglich, die die Herstellung von Ausgangsstrahlen mit einer Intensitätshöhe ermöglicht, die zuvor nicht erreichbar war.
Der N-fach-Strahlteiler und die Strahlzusammenführung umfassen beide günstigerweise Hohlkernmultimode-Interferenzvorrichtungen gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung. Als Alternative weist der N-fach-Strahlteiler eine Vollkern-MMI-Aufteilungsvorrichtung auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist der optische Verstärker ferner eine Phasenverschiebeeinrichtung zur Anpassung der relativen Phasen des verstärkten Strahls vor einer Zusammenführung der Strahlen in der Strahlzusammenführung auf. Die Phasenverschiebeeinrichtung, die GaAs-Modulatoren oder verformbare Spiegel usw. umfassen kann, ermöglicht die Steuerung der relativen Phasen der in die Zusammenführung eintretenden Strahlen. Indem sicherstellt wird, dass die in die Zusammenführungsvorrichtung eintretenden Strahlen geeignete Phasendifferenzen aufweisen, wird der Wirkungsgrad des Zusammenführungsvorgangs erhöht und eine Ausführung des Zusammenführungsbereichs mit kürzerer Länge (insbesondere bei hochwertigen Aufteilungs-/Zusammenführungsvorrichtungen) ermöglicht.
Nach einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist ein Resonator einen Auskopplungsspiegel, eine Aufteilungs-/Zusammenführungseinrichtung, einen optischen Mehrelementeverstärker und einen Spiegel auf, wobei der Auskopplungsspiegel, die Aufteilungs-/Zusammenführungseinrichtung, der optische Mehrelementeverstärker und der Spiegel so angeordnet sind, dass die Aufteilungs-/Zusammenführungseinrichtung einen einzelnen Strahl in N Strahlen (mit N größer oder gleich 2) aufteilt, jeder der N Strahlen von dem optischen Mehrelementeverstärker verstärkt und von dem Spiegel so reflektiert und umgelenkt wird, dass er durch den optischen Mehrelementeverstärker zurückgeleitet wird, wobei die N Strahlen von der Aufteilungs-/Zusammenführungseinrichtung zur Ausbildung eines einzelnen Strahls zusammengeführt werden und ein Teil des einzelnen Strahls durch den Auskopplungsspiegel aus dem Resonator austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilungs-/Zusammenführungseinrichtung von einer Hohlkernmultimode-Interferenzvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
Der Resonator ist im Grunde ein auf sich selbst zurück gefalteter Verstärker und bietet die Möglichkeit zum Betrieb mit hoher optischer Leistung bei geringem Grad an optischen Verlusten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von denen
1 eine Hohlkern-MMI-Aufteilungsvorrichtung nach dem Stand der Technik und das Profil des transversalen elektrischen Feldes bei einer solchen Vorrichtung veranschaulicht;
2 eine Vollkern-MMI-Aufteilungsvorrichtung nach dem Stand der Technik veranschaulicht;
3 eine zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliche MMI-Wellenleitervorrichtung zeigt;
4 einen Vergleich der an einer beschichteten MMI-Vorrichtung aufgezeichneten mit denen von an einer unbeschichteten Hohlkern-MMI-Vorrichtung aufgezeichneten experimentellen Daten zeigt;
5 einen optischen Verstärker- und Resonatorschaltkreis unter Einbeziehung von Zweifach-MMI-Aufteilungs-/Zusammenführungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 einen optischen Verstärker- und Resonatorschaltkreis unter Einbeziehung von Vierfach-MMI-Aufteilungs-/Zusammenführungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine alternative Ausgestaltung eines Verstärkers unter Einbeziehung von MMI-Aufteilungs-/Zusammenführungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
8 eine hybride optische Verstärkerschaltung unter Einbeziehung von Vollkern-MMI-Aufteilungsvorrichtungen und einer MMI-Zusammenführung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der 1(a) ist eine perspektivische Ansicht eines Zweifach-Hohlkern-Wellenleiter-MMI-Strahlteilers 22 nach dem Stand der Technik gezeigt. Der MMI-Strahlteiler 22 umfasst eine Substratschicht 24, eine Wellenleiterschicht 26 und eine Deckschicht 28. Die Wellenleiterschicht 26 umgrenzt eine Hohlkern-Wellenleiterstruktur, die einen Eingangs-Wellenleiter 30, einen Multimode-Wellenleiterbereich 32 und zwei Ausgangs-Wellenleiter 34 und 36 aufweist.
Der Hohlkern-Multimodewellenleiterbereich 32 ist rechteckförmig mit einer Länge l und einer Breite W. An den Multimode-Wellenleiterbereich 32 ist der Eingangs-Wellenleiter 30 zentral angeschlossen und diesem gegenüber sind die Ausgangs-Wellenleiter 34 und 36 mit voneinander beabstandeten Anschlussmitten angeordnet. Der Eingangs-Wellenleiter 30 und die Ausgangs-Wellenleiter 34 und 36 sind so angeordnet, dass sie nur die Übertragung des Grundmodes unterstützen.
Während des Betriebs wird der von dem Eingangs-Wellenleiter 30 unterstützte Grundmode in den zentralen Multimode-Wellenleiterbereich 32 eingespeist. Die Länge (l) und Breite (w) des Multimode-Wellenleiterbereichs 32 sind so gewählt, dass die Multimode-Interferenz entlang dessen Längsrichtung eine gleichmäßige Aufteilung der Intensität des Eingangsstrahls zur Einkoppelung in die Ausgangs-Wellenleiter 34 und 36 erzeugt. Auf diese Weise kann die Strahlung eines einzelnen Eingangsstrahls auf zwei Ausgangsstrahlen aufgeteilt werden. Es ist auch möglich, die Vorrichtung umgekehrt zum Zusammenführen zweier Strahlen zu betreiben.
Das Grundprinzip, auf das die Multimode-Interferenz aufbaut um eine Strahlteilung zu erreichen, ist in 1(b) dargestellt. 1(b) veranschaulicht die transversalen Intensitätsprofile der elektromagnetischen Strahlung einer Wellenlänge λ an dreizehn gleichmäßig entlang eines rechteckförmigen Multimode-Wellenleiterbereichs der Länge L und der Breite W beabstandeten Stellen, wobei L = W²/λ ist. Es wird angenommen, dass die einfallende Eingangstrahlung (d. h. der Mode, der von der ersten transversalen Intensitätskurve 56 repräsentiert wird) einen Grundmode einnimmt.
Aus der 1(b) ist ersichtlich, dass eine Vorrichtung mit einer Länge von weniger als L zur Ausführung einer Strahlteilungsfunktion verwendet werden kann. Für den Fall eines Zweifach-Strahlteilers von der in 1(a) abgebildeten Art wird eine Vorrichtung der Länge L/2 (= 1) benötigt. In gleicher Weise können Dreifach- oder Vierfachaufteiler mit einer Länge von jeweils L/3 bzw. L/4 erhalten werden. Mit anderen Worten kann eine N-fache Aufteilung mit einer Vorrichtung der Länge L_N = W²/Nλ erhalten werden. Eine ausführlichere Erläuterung des Betriebs und der Konstruktion von MMI-Aufteilungsvorrichtungen ist in der Druckschrift US 5 410 625 angegeben.
Bis dato haben Fachleute Hohlkern-Wellenleiterstrukturen unter Verwendung von dielektrischen Substratmaterialien hergestellt, deren Brechungsindex bei der jeweiligen Betriebswellenlänge geringer ist als der von Luft (d. h. n < 1). Insbesondere wurden Aluminiumoxidsubstrate verwendet, da sie bei Licht der Wellenlänge 10,5 μm einen gegenüber Luft geringeren Brechungsindex aufweisen. Dies stellt sicher, dass ein sich durch den Hohlkern fortpflanzendes Licht an der Grenzfläche zwischen Luft und Substrat einer TIR unterzogen wird.
Ein Nachteil in der Verwendung von Aluminiumoxid und anderen dielektrischen Materialien besteht darin, dass solche Materialien zur Herstellung von Hohlkern-MMI-Vorrichtungen üblicherweise unter Verwendung von feinmechanischen Verfahren (z. B. Fräsen oder Sägen) bearbeitet werden. Diese Herstellungsverfahren setzen eine Grenze für die minimal herstellbare Größe einer Hohlkern-Vorrichtung, wenn die für den Betrieb der MMI-Vorrichtung erforderlichen Toleranzen einzuhalten sind. Die üblichen Frästechniken ermöglichen zum Beispiel bei Wellenleitern mit einer Breite von typischerweise nicht weniger als 1 mm eine Toleranz in der Festlegung von Strukturen von nicht weniger als 50 μm.
Alternative Materialien, die zur Herstellung von Hohlkern-Vorrichtungen geringerer räumlicher Abmessungen verwendet werden können, weisen an der Luft/Substratgrenzfläche kein ausreichendes Reflektionsvermögen auf. Dabei treten erhebliche optische Verluste auf, die von der Fresnel-Reflektion des Lichts an der Grenzfläche zwischen dem Hohlkern und dem diesen umgebenden Material herrühren. Die mit der Fresnel-Reflektion in MMI-Vorrichtungen verbundenen optischen Verluste, die in Vorrichtungen mit kleineren Abmessungen noch schwerer wiegen, hat die Fachleute dazu verleitet, die Verwendung von Hohlkernsubstraten nicht für die Herstellung von MMI-Vorrichtungen mit kleinen Abmessungen in Erwägung zu ziehen. Bei der Verfolgung kleinerer Vorrichtungsgrößen wurden die Anstrengungen daher auf die Herstellung von Vollkern-MMI-Wellenleitervorrichtungen gerichtet.
In der 2 ist eine Vierfach-Vollkern-MMI-Wellenleiterstruktur 60 gezeigt. Die Vollkern-MMI-Wellenleiterstruktur 60 umfasst eine semiisolierende GaAs-Substratschicht 62, eine untere Mantelschicht 64, eine GaAs-Kernschicht 66 und eine obere Mantel-/Deckschicht 68.
Ein Eingangs-Wellenleiter 70 schließt zentral an einen Multimode-Wellenleiterbereich 80 der Breite W und der Länge l' an und außerdem sind vier Ausgangs-Wellenleiter (72, 74, 76 und 78) vorgesehen. Die Eingangs- und Ausgangs-Wellenleiter sind so angeordnet, dass sie nur die Ausbreitung des Grundmodes unterstützen. Die Länge (l') des Multimode-Wellenleiterbereichs 80 beträgt, um eine Vierfachaufteilung zu ermöglichen, L/4 (mit L = W²/λ).
Der Brechungsindex des GaAs-Kerns beträgt in etwa 3,5, während die umgebende Luft einen Brechungsindex von etwa 1 aufweist. Auf diese Weise wird an der Grenzfläche zwischen dem GaAs-Material und der umgebenden Luft eine interne Totalreflektion (TIR) erreicht. Die an der Grenzfläche zwischen dem GaAs und der Luft auftretende TIR ermöglicht eine wesentlich größere Oberflächenreflektion, als sie bei Hohlkern-Vorrichtungen festzustellen ist. Der optische Gesamtwirkungsgrad von Vollkernvorrichtungen dieser Art ist daher wesentlich größer als der von Hohlkernäquivalenten.
Ein Nachteil von Vollkern-MMI-Aufteilungsvorrichtungen besteht darin, dass in dem Vollkern nur eine begrenzte optische Leistung transportiert werden kann, ohne dass eine Schädigung des den Kern bildenden Materials auftritt. Das Leistungsumsetzungsvermögen von Vollkern-MMI-Vorrichtungen ist daher begrenzt; dies schränkt die Verwendung solcher Vorrichtungen bei Anwendungen mit hohen Leistungen, wie beispielsweise bei optischen Verstärkern usw. ein.
In der 3 ist eine zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliche perspektivische Ansicht eines Zweifach-Hohlkern-Wellenleiter-MMI-Strahlteilers 90 gezeigt. Dabei weisen Elemente, die den in den vorangegangenen Figuren abgebildeten ähnlich sind, gleichartige Bezugszeichen auf.
Der MMI-Strahlteiler 90 weist ein Substrat 88 und eine Substratabdeckung 86 auf. Das Substrat 88 und die Substratabdeckung 86 umgrenzen eine Hohlkern-Wellenleiterstruktur, die einen Eingangs-Wellenleiter 30, einen Multimode-Wellenleiterbereich 32 und zwei Ausgangs-Wellenleiter 34 und 36 aufweist. An den inneren Oberflächen des Substrats 88 und der Substratabdeckung 86, die die Hohlkern-Wellenleiterstruktur einfassen, ist eine Goldschicht 92 (in 3 durch die Schraffierungen angedeutet) angeordnet. Um sicherzustellen, dass ATIR stattfindet, sollte die Goldschicht 92 ausreichend dick sein. Für einen Fachmann ist es dabei selbstverständlich, dass zwischen der Goldschicht 92 und dem Substrat eine (nicht gezeigte) Haftvermittlungsschicht und/oder eine Diffusionssperrschicht vorgesehen sein kann.
Abgesehen davon, dass das Hinzufügen der Goldmetallschicht eine Änderung der Länge und Breite des Hohlraums verursacht, beeinflusst die Goldschicht 92 nicht die Ausgestaltung der MMI-Vorrichtung. Der Eingangs-Wellenleiter 30, der Multimode-Wellenleiterbereich 32 und die zwei Ausgangs-Wellenleiter 34 und 36 sind unter Verwendung derselben Kriterien gestaltet, wie sie für Hohlkern-MMI-Vorrichtungen nach dem Stand der Technik und der Art verwendet werden, die unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben wurde.
Die Anordnung der Goldschicht 92 ermöglicht bei einer Lichtwellenlänge innerhalb des Telekommunikationswellenlängenbands (d. h. bei Wellenlängen um 1,55 μm) ATIR innerhalb der Hohlkern-Vorrichtung. Bei diesen Telekommunikationswellenlängen besitzt Gold die geforderten Brechungsindexeigenschaften von n < 1 sowie ein geringes Absorptionsniveau.
Auch wenn oben eine Goldschicht 92 beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann selbstverständlich, dass jedes Material an den Oberflächen abgeschieden werden kann, die den Hohlkern-Wellenleiter umgrenzen, dessen Brechungsindex bei den Wellenlängen, bei denen der Wellenleiter betrieben werden soll, kleiner als der von Luft (oder was immer sich in dem Hohlraum befindet) ist. Die Brechungsindizes verschiedener Materialien können in verschiedenen Veröffentlichungen, wie beispielsweise "The Handbook of Optical Constants" von E. D. Palik, Academic Press, London, 1998, nachgesehen werden. Metalle weisen über einen gewissen Wellenlängenbereich üblicherweise einen Brechungsindex auf, der geringer als der von Luft ist, wobei der bestimmte Wellenlängenbereich von den physikalischen Eigenschaften des Metalls abhängt. Der geringe Brechungsindex von Metallen bei einer bestimmten Wellenlänge ist im Allgemeinen von einem Absorptionsmaximum über einen gleichartigen Wellenlängenbereich begleitet. Daher sollte vorzugsweise ein Material mit einem Brechungsindex gewählt werden, der geringer als der von Luft ist, und der außerdem eine geringe Absorption bei der für den Betrieb der Vorrichtung vorgesehen Wellenlänge oder den Wellenlängen aufweist.
Ein Fachmann wird erkennen, dass statt der Verwendung einer einzelnen Schicht mit geringem Brechungsindex auch Vielfachschichtreflektoren vorgesehen sein können. Zum Beispiel könnten auf dem Substrat 88 und/oder der Substratabdeckung 86 mehrschichtige dielektrische Stapel oder Metall-Dielektrika Schichtfolgen aufgebracht sein.
Als Material für das Substrat 88 und die Substratabdeckung 86 eignet sich Silicium; Silicium kann bei Verwendung von Mikrofabrikationsverfahren, deren Art den Fachleuten bekannt ist, mit großer Genauigkeit geätzt werden. Zur Herstellung der MMI-Vorrichtung kann jedes Material verwendet werden, das in die erforderliche geometrische Gestalt umgeformt werden kann. Die Verwendung von mit Mikrofabrikationsverfahren hergestellten Halbleitern ist jedoch besonders vorteilhaft, da sie die Herstellung von Vorrichtungen mit Größen ermöglicht, die wesentlich kleiner als die der feinwerktechnisch hergestellten Alternativen sind; Mikrofabrikationsverfahren können eine Genauigkeit von unter 1 μm bieten. Ungleich den feinwerktechnischen Verfahren, bei denen die Wellenleiterstrukturen nacheinander durch Bewegen des Schneidwerkzeugs über die Oberfläche des Substrats ausgebildet werden, ermöglichen Mikrofabrikationstechniken auch das parallele Erstellen von Mehrfachstrukturen auf dem Substrat.
Idealerweise sollten das Substrat 88 und die Substratabdeckung 86 aus einem Material hergestellt werden, das zur Beschichtung mit einer Schicht aus Material niedrigen Brechungsindexes geeignet ist. Für einen Fachmann ist es selbstverständlich, wie das Abscheiden von Goldschichten auf Silicium unter Verwendung von Metallabscheidetechniken, wie beispielsweise Kathodenzerstäubung, Aufdampfen, CVD oder Galvanotechniken, erreicht werden kann. Für einen Fachmann ist es ebenso selbstverständlich, dass die Abdeckung auf dem Substrat mit Verfahren, wie beispielsweise einer eu tektischen Gold-Silicium-Kontaktierung oder einer Zwischenschicht, befestigt werden kann.
In der 4 sind experimentelle Daten gezeigt, die die Übertragungseigenschaften einer Zweifach-MMI-Vorrichtung veranschaulichen.
Es wurden Zweifach-Hohlkern-Wellenleiter-MMI-Strahlteiler hergestellt, die eine Breite (W) des Multimode-Bereichs von 250 μm und eine Breite des Grundmode-Wellenleiters von 50 μm aufweisen. Die Vorrichtungen wurden mit Multimode-Bereichen verschiedener Längen (l), sowohl mit und ohne Kupfermetallbeschichtung hergestellt, die unter Verwendung einer Nickelhaftschicht auf die interne Oberfläche der Hohlkern-Wellenleiterstruktur aufgebracht wurde.
Die erste Kurve 100 zeigt die Gesamttransmission des Lichts durch Zweifach-Hohlkern-MMI-Aufteiler, während die zweite Kurve 102 die Lichttransmission durch Zweifach-Hohlkern-MMI-Aufteiler zeigt, deren interne Oberflächen mit einer Kupfermetallbeschichtung versehen sind. Aus den experimentellen Daten ist ersichtlich, dass die Verwendung einer Kupfermaterialschicht an der inneren Oberfläche des Hohlkern-Strahlteilers den Transmissionswirkungsgrad der Vorrichtung nahezu verdoppelt. Dies macht die Vorrichtung zu einer praktischen Alternative für Vollkernvorrichtungen.
In der 5 sind mehrere Anwendungen schematisch dargestellt, bei denen Hohlkern-Zweifachaufteiler-/-zusammenführungs-MMI-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Die 5a zeigt einen Verstärker 110. Der Verstärker 110 weist eine Aufteilungsstufe 112, einen Diodenfeldverstärker 114 und eine Zusammenführungsstufe 116 auf.
Die Aufteilungsstufe 112 weist einen ersten Zweifach-MMI-Aufteiler 118 und zwei sekundäre Zweifach-MMI-Aufteiler 120 und 122 auf. Jeder der Zweifach-MMI-Aufteiler 118, 120 und 122 weist einen einzelnen Eingangs-Wellenleiter 124, zwei Ausgangs-Wellenleiter 126 und einen zentralen Multimode-Bereich 128 auf. Die Eingänge der sekundären Zweifach-MMI-Aufteiler sind mit den Ausgängen der ersten Zweifach-MMI-Aufteiler 118 verbunden.
Der Diodenanordnungsverstärker 114 weist vier gesonderte Verstärkungselemente (130a, b, c, d) auf, die zwischen den vier Ausgängen der Aufteilungsstufe 112 und den vier Eingängen der Zusammenführungsstufe 116 optisch an diese angeschlossen sind. Laserdiodenanordnungen dieses Typs sind den Fachleuten wohlbekannt.
Die Zusammenführungsstufe 116 weist ein Paar Zweifach-MMI-Zusammenführungen 132 und 134 und eine zweite MMI-Zusammenführung 136 auf. Jede der Zweifach-MMI-Zusammenführungen 132, 134 und 136 weist ein Paar Eingangs-Wellenleiter 138, einen einzelnen Ausgangs-Wellenleiter 140 und einen zentralen Multimode-Bereich 128 auf. Die Ausgänge des Zweifach-MMI-Zusammenführungspaars 132 und 134 sind mit den Eingängen der zweiten MMI-Zusammenführung 136 verbunden.
Beim Betrieb teilt die Aufteilungsstufe 112 einen einfallenden Lichtstrahl 142 in vier Strahlen gleicher Intensität auf. Der vierelementige Diodenfeldverstärker 114 verstärkt dann jeden dieser vier Strahlen, bevor diese in der Zusammenführungsstufe 116 zusammengeführt werden. Im Ergebnis ergibt sich so ein verstärkter resultierender Ausgangsstrahl 144.
In der 5b ist eine Resonatorstruktur 150 gezeigt. Der Resonator 150 entspricht im Grunde einem auf sich selbst zurückgefalteten Verstärker der Art, wie er unter Bezugnahme auf die 5a beschrieben wurde.
Der Resonator 150 weist nur eine einzige MMI-Stufe 152 auf, die eine erste Zweifach-MMI-Aufteilung/Zusammenführung 154 und zwei sekundäre Zweifach-MMI-Aufteilung/Zusammenführungen 156 und 158 umfasst. Jede der MMI-Aufteilung/Zusammenführungen 154, 156 und 158 weist einen ersten Wellenleiter 160, zwei zweite Wellenleiter 162 und einen Multimode-Bereich 128 auf. Die zwei zweiten Wellenleiter der ersten Zweifach-MMI-Aufteilung/Zusammenführung 154 sind mit dem ersten Wellenleiter der zwei sekundären Zweifach-MMI-Aufteilung/Zusammenführungen 156 und 158 optisch verbunden. Der Resonator weist auch einen voll reflektierenden Spiegel 164 und einen teilweise reflektierenden Spiegel 166, sowie einen vierelementigen Diodenfeldverstärker 114 auf.
Beim Betrieb führt die MMI-Stufe 152 sowohl eine Aufteilungs- als auch Zusammenführungsfunktion aus, wobei der Resonator eine Lichtverstärkung bietet. Der teilweise reflektierende Spiegel 166 erlaubt das Auskoppeln von einem Teil des Lichts als Ausgangsstrahl 168.
Auch wenn die Verstärker und Resonatoren, die unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben wurden, unter Verwendung bekannter MMI-Aufteilung/-Zusammenführungen hergestellt werden könnten, wird die Verwendung von MMI-Vorrichtungen der unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschriebenen Art bevorzugt. Die Verwendung von Hohlkern-Wellenleitern ohne die Beschichtung mit einem geringem Brechungsindex würde die kumulativen Verluste, die mit jeder MMI-Aufteilung/Zusammenführung in dem System verbunden sind, erhöhen, wodurch sich die Lichtverstärkung des Diodenfeldverstärkers 114 verringert. Ebenso würden, falls Vollkern- (z. B. GaAs) MMI-Aufteilungen/Zusammenführungen verwendet werden würden, die mit der Zusammenführungsstufe verbundenen Leistungsdichten eine signifikante Degradierung des Vollkernmaterials zur Folge haben. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher optische Verstärker und Resonatoren mit einem hohen Leistungsumsetzungsvermögen.
In der 6 ist ein weiteres Beispiel für die vorteilhafte Verwendung von Hohlkern-MMI-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet.
6a zeigt einen 1-zu-4-zu-1-fach-Verstärker. Der Verstärker weist eine erste Vierfach-MMI-Aufteilung 180 mit einem ersten Wellenleiter 182, einem Multimode-Bereich 184 und vier zweiten Wellenleitern 186 auf. Außerdem ist ein vierelementiger Diodenfeldverstärker 114 zusammen mit einer zweiten Vierfach-MMI-Zusammenführung 190 vorgesehen.
Während des Betriebs wird einfallendes Licht 192 in den ersten Wellenleiter 182 der ersten Vierfach-MMI-Aufteilung 180 eingekoppelt. Die erste Vierfach-MMI-Aufteilung 180 teilt das Licht gleichmäßig auf die vier zweiten Wellenleiter 186 auf und leitet das Licht an den vierelementiger Diodenfeldverstärker 114 weiter.
Aus den vier zweiten Wellenleitern der ersten MMI-Aufteilung 180 austretendes Licht wird jeweils von einem Element des vierelementigen Diodenfeldverstärkers 114 verstärkt, bevor es in die zweiten Wellenleiter der zweiten Vierfach-MMI-Zusammenführung 190 eintritt. Die zweite Vierfach-MMI-Zusammenführung 190 führt dann die vier verstärkten Lichtstrahlen zu einem einzigen und verstärkten Ausgangsstrahl 194 zusammen.
Ungleich den oben beschrieben Zweifachaufteilungen müssen jedoch die Phasen der vier Lichtstrahlen, die in die MMI-Zusammenführung 190 eintreten, berücksichtigt werden. Eine solche Berücksichtigung der Phase ist nur erforderlich, wenn die MMI-Vorrichtungen zur Aufteilung und Zusammenführung von drei oder mehr Strahlen (d. h. bei N ≥ 3) unter Verwendung der kürzestmöglichen Länge für den Multimode-Bereich ausgelegt sind.
Wie oben unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben ist, kann man eine N-fach-Aufteilung mit der kürzesten Länge für den Multimode-Bereich erhalten, wenn die MMI-Vorrichtung einen Multimode-Bereich der Breite W und der Länge L_N = W²/Nλ aufweist. Hierbei ist zu beachten, dass die Wellenlänge λ der Wellenlänge des Lichts in dem Multimode-Bereich entspricht (d. h. der Vakuumwellenlänge des Lichts multipliziert mit dem Brechungsindex des Kernmaterials).
Mit den Notationen für den Achsabstand (p) der Feldelemente und der Multimode-Leiterlänge (l) kann für eine N-fach-Aufteilung geschrieben werden:
Hierin bedeutet p den Abstand der zweiten Wellenleiter voneinander (z. B. den Abstand zwischen den vier Wellenleitern 186 der MMI-Aufteilung 180) und p = W/N. Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass sich die Länge (l) des Multimode-Leiterbereichs bei festgelegtem Abstand linear mit dem Grad der Aufteilung (d. h. mit N) verändert.
Als Resultat des symmetrischen Aufteilungsvorgangs in Multimode-Wellenleitern werden unter Beachtung der oben beschriebenen geometrischen Gestaltungsregeln N Grundmodenfelder gleicher Amplitude erzeugt. Die Phasen der resultierenden Felder sind jedoch nicht gleich, sondern durch die folgende Beziehung bestimmt:
Im Falle einer Vierfachaufteilung (d. h. N = 4) betragen die relativen Phasen der vier Ausgangsfelder daher 3 / 8π, – 1 / 8π, – 1 / 8π bzw. 3 / 8π.
Um unter Verwendung einer Vierfachzusammenführung vier Strahlen mit gutem Wirkungsgrad zusammenzuführen, müssen die Phasen der in den Multimode-Wellenleiterbereich eintretenden Felder Werte annehmen, die das exakte Phasenkonjugat der beim Aufteilungsvorgang erzeugten darstellen. Mit anderen Worten müssen die Phasen der vier an dem Multimode-Bereich der MMI-Zusammenführung 190 anliegenden Eingangsfelder für eine Zusammenführung mit gutem Wirkungsgrad – 3 / 8π, 1 / 8π, 1 / 8π bzw. – 3 / 8π betragen.
Gemäß dem oben Angeführten werden zwischen der MMI-Aufteilung 180 und der MMI-Zusammenführung 190 vorteilhaft Phasendifferenzen eingebracht, die die Einhaltung dieser Phasenbedingungen ermöglichen. Als allgemeiner Ausdruck sind die zwischen einer 1-auf-N-fach-Aufteilung und einer N-auf-1-fach-Zusammenführung erforderlichen Phasendifferenzen gegeben durch:
Zum Bewirken der erforderlichen Phasendifferenzen ist in dem 1-zu-4-zu-1-Verstärker von 6(a) an jedem der vier zweiten Wellenleiter 186 der MMI-Zusammenführung 190 eine Phasenverschiebungseinrichtung 196 vorgesehen. Die Phasenverschiebungseinrichtungen 196 umfassen Modifikationen der physischen Länge der Leitungen, die die MMI-Zusammenführung 190 speisen.
Den Fachleuten sind außerdem zahlreiche alternative Verfahren zum Erzeugen der erforderlichen Phasenverschiebungen bekannt. Zum Beispiel könnte der Strom in jedem Element des Diodenfeldverstärkers 114 modifiziert werden. Alternativ könnten, um die erforderliche Phasenverschiebung zu erhalten, die optische Weglänge innerhalb des Diodenfeldverstärkers 114 abgeändert, bzw. der effektive Brechungsindex eines Abschnitts des Wellenleiters oder des Diodenfeldverstärkers 114 modifiziert werden.
Die 6b veranschaulicht einen Resonator, der eine einzige Vierfach-MMI-Aufteilung/Zusammenführung 200 und einen vierelementigen Diodenfeldverstärker 114 aufweist. Die Vierfach-MMI-Auftei lung/Zusammenführung 200 weist einen Multimode-Bereich 184, einen ersten Wellenleiter 182 und vier zweite Wellenleiter 186 auf. An jeder der vier zweiten Wellenleiter 186 ist eine Phasenverschiebungseinrichtung 204 vorgesehen. Der Resonator weist außerdem einen voll reflektierenden Spiegel 164 und einen teilweise reflektierenden Spiegel 166 auf.
Der Resonator ist im Grunde ein auf sich selbst zurück gefalteter Verstärker, bei dem ein doppelter Durchgang durch die Vierfach-MMI-Aufteilung/Zusammenführung 200 im Ergebnis zu einer Lichtverstärkung führt. Da das Licht die Phasenverschiebungseinrichtung 204 bei jedem doppelten Durchgang durch die Vorrichtung zweimal passiert, ist die von der Phasenverschiebungseinrichtung 204 bewirkte Phasenverschiebung halb so groß wie in Gleichung (3) oben für die Verstärkungsvorrichtung angegeben. Der Auskopplungsspiegel 166 ermöglicht die Auskopplung eines Teils des Lichts als Ausgangsstrahl 202.
Wiederum bietet die Hohlkern-MMI-Aufteilung/Zusammenführung der unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschriebenen Art vorteilhaft die Möglichkeit zur Handhabung großer optischer Leistungen bei geringen Dämpfungsniveaus.
In der 7 ist eine alternative Ausführungsform des unter Bezugnahme auf die 6(a) beschriebenen Verstärkers angegeben. Der Verstärker weist eine 7-fach-MMI-Aufteilung 210, einen siebenelementigen Diodenfeldchip 212 und eine 7-fach-MMI-Zusammenführung 214 auf. Die 7-fach-MMI-Aufteilung 210 weist einen Eingangs-Wellenleiter 216 und einen Multimode-Bereich 218 auf. Die 7-fach- MMI-Zusammenführung 214 weist einen Ausgangs-Wellenleiter 220 und einen Multimode-Bereich 218 auf.
Sowohl der Multimode-Bereich 218 der MMI-Aufteilung 210 als auch die MMI-Zusammenführung 214 sind optisch direkt an jeweils eine Seite des siebenelementigen Diodenfeldchips 212 gekoppelt. Die Abmessungen des Multimode-Bereichs 218 der MMI-Aufteilung 210 ist dergestalt, dass ein eingehender Grundmode, der über den Eingangs-Wellenleiter 216 in den Bereich eintritt, in sieben Strahlen aufgeteilt wird, die an der Grenzschicht 222 zum Diodenfeldchip 212 gleiche Intensität aufweisen. Die 7 Strahlen werden dann vor dem Eintritt in die MMI-Zusammenführung 214 für die Zusammenführung zur Ausbildung eines einzelnen Strahls, der aus der Vorrichtung durch den Ausgangs-Wellenleiter 220 austritt, von dem Diodenfeldchip 212 verstärkt. Bei dieser Vorrichtung werden alle notwendigen Phasenverschiebungen im Bereich des Diodenfeldchips bewirkt.
Wie bei den unter Bezugnahme auf die 6 beschriebenen Verstärker- und Resonatorvorrichtungen weist die integrierte Verstärkervorrichtung von 7 vorteilhaft eine MMI-Aufteilung 210 und/oder eine MMI-Zusammenführung 214 des unter Bezug auf die 3 und 4 beschriebenen Typs auf.
In der 8 ist ein Hybridverstärker gezeigt. Der hybride Verstärker weist eine Vollkern-MMI-Aufteilung 230, sechs Phasenverschiebungseinrichtungen 232, ein Schrägdiodenverstärkerfeld (tapered diode amplifier array) 234 und eine Hohlkern-MMI-Zusammenführung 236 auf.
Die Vollkern-MMI-Aufteilung 230 ist aus GaAs gefertigt und besitzt einen einzigen Eingangs-Wellenleiter 238, einen Multimode-Bereich 240 und sechs Ausgangs-Wellenleiter 242. Die Breite (w₁) und Länge (l₁) des Multimode-Bereichs 240 ist so gewählt, dass ein in den Eingangs-Wellenleiter 238 eingekoppelter Eingangsstrahl 241 auf die sechs Ausgangs-Wellenleiter 242 aufgeteilt wird.
Jeder der sechs Ausgangs-Wellenleiter 242 fächert zu einer Phasenverschiebungseinrichtung 232 auf. Die Phasenverschiebungseinrichtung 232 weist wiederum aus GaAs hergestellte, elektrooptische Modulatoren auf, die bei Anwendung einer geeigneten Spannung eine Phasenverschiebung des optischen Strahls bewirken. Die bei jedem Strahl bewirkten Phasenverschiebungen stellen sicher, dass eine Zusammenführung mit gutem Wirkungsgrad entsprechend der obigen Gleichung (3) gesteuert wird. Außerdem kompensieren die Phasenverschiebungseinrichtungen 232 die durch den Auffächerungsvorgang eingeschleppten Phasenfehler. Von der Phasenverschiebungseinrichtung 232 können auch Phasenfehler kompensiert werden, die während des Herstellungsprozesses, beispielsweise als Spaltfehler oder als Unregelmäßigkeiten in den Wellenleitereigenschaften, eingeschleppt werden.
Dabei muss angemerkt werden, dass es neben der Einstellung geeigneter Phasendifferenzen für eine Zusammenführung mit gutem Wirkungsgrad auch erforderlich ist, dass die Strahlen gleiche Amplituden aufweisen. Eine Korrektur auf gleiche Amplituden kann auf verschiedene Weisen erreicht werden, die den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann an jedem Ausgangs-Wellenleiter 242 vor den Phasenverschiebungseinrichtungen 232 ein (nicht gezeigtes) variables Mach-Zehnder-Dämpfungsglied angeordnet werden.
Die aus den Phasenverschiebungseinrichtungen 232 austretenden phasenverschobenen Strahlen werden in ein Schrägdiodenverstärkerfeld 234 eingekoppelt, das jeden der sechs Strahlen individuell verstärkt. Ein für diese Aufgabe geeigneter Schrägverstärker ist in F. Wilson et al, Electronics Letters, 7. Jan. 1999, Band 35, Nr. 1, beschrieben.
Nach der Verstärkung werden die sechs optischen Strahlen direkt in den Multimode-Bereich 244 der Hohlkern-MMI-Zusammenführung 236 eingekoppelt. Um sicherzustellen, dass Reflexionen an der Grenzflächen zwischen den Festkörperelementen des Schrägdiodenverstärkerfelds 234 und dem Hohlkern-Multimodebereich 244 minimiert werden, ist eine Antireflexbeschichtung 246 vorgesehen.
Die Breite (w₂) und die Länge (l₂) des Multimode-Bereichs 244 sind so gewählt, dass die in den Bereich eintretenden sechs verstärkten Strahlen zusammengeführt werden und der verstärkte Ausgangsstrahl 247 die Vorrichtung durch den Ausgangs-Wellenleiter 248 verlässt. Es wird angemerkt, dass die Vollkern-MMI-Aufteilung 230 und die Hohlkern-MMI-Zusammenführung 236 unterschiedliche Abmessungen aufweisen, da sich die Brechungsindizes von GaAs und Luft unterscheiden (ersteres etwa 3,5 im Vergleich zu 1,0 für das zweite); dadurch sind die räumlichen Abmessungen der Vollkern-MMI-Aufteilung 230 kleiner als die der Hohlkern-MMI-Zusammenführung 236.
Auch wenn oben ein 1-zu-6-zu-1-Verstärker beschrieben ist, ist es für einen Fachmann selbstverständlich, dass eine Aufteilung und Zusammenführung höheren Grades möglich ist. Mit der Zunahme der für die optische Zusammenführung erforderlichen Leistung muss sich das Leistungsumsetzungsvermögen der Zusammenführung entsprechend erhöhen.
Bei einem hybriden Verstärker der in 8 beschriebenen Art werden Vollkern-MMI-Vorrichtungen zum Aufteilen der Strahlung des einfallenden Strahls verwendet, da solche Vorrichtungen üblicherweise kompakter als deren Hohlkernäquivalente sind und bei einem eingehenden Strahl niedriger Leistung eine effektive Strahlaufteilung bieten. Beim Zusammenführen der verstärkten Signale können die Vollkernvorrichtungen die höhere Leistung jedoch nicht handhaben, ohne dass Schäden an dem Vollkernmaterial auftreten. Die Verwendung einer MMI-Zusammenführung des unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschriebenen Typs ermöglicht eine effektive Zusammenführung von Strahlen hoher Intensität ohne Gefahr einer Schädigung des Kerns der Zusammenführungsvorrichtung.
Die oben beschriebenen MMI-Vorrichtungen ermöglichen eine Aufteilung in einer Dimension (z. B. horizontal). Es können jedoch auch Aufteilungen in einer zweiten (z. B. vertikalen) Richtung vorgesehen werden, wie es in der Druckschrift US 5 410 625 unter Bezugnahme auf die 17 und 18 dieser Druckschrift beschrieben ist. Auf diese Weise kann ein einzelner Eingangsstrahl in M × N Strahlen aufgeteilt werden. Die zweidimensionale Aufteilung kann als N-fache Aufteilung in einer ersten Dimension (z. B. horizontal) und als M-fache in einer zweiten Dimension (z. B. vertikal) angesehen werden.
Für den Fall, dass ein symmetrisches Feld in einem rechteckförmigen Wellenleiter eingespeist wird, der eine Multimode-Ausbreitung in zwei Dimensionen unterstützt, kann die M-fache und N-fache Aufteilung angegeben werden durch:
worin W₁ die Leiterbreite und W₂ die Leitertiefe bedeuten, p und q Ganzzahlen sind und λ die Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts darstellt. Daher erhält man ein M × N-Feld durch Wahl von pW₁ und qW₂ so, dass die Bedingung
erfüllt ist.
Für den Fall, dass ein asymmetrisches Feld in einen rechteckförmigen Leiter, der eine Multimode-Ausbreitung in zwei Dimensionen unterstützt, eingespeist wird, kann die M-fache und die N-fache Aufteilung angegeben werden durch:
wobei W₁ die Leiterbreite und W₂ die Leitertiefe angeben, p und q Ganzzahlen sind und λ die Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts darstellt. Auch hier kann ein M × N-Feld erzielt werden, indem pW₁ und qW₂ so gewählt werden, dass die Bedingung
erfüllt ist. Außerdem verhält sich das Einspeisen eines asymmetrischen Grundmodes in den Multimode-Wellenleiterbereich analog zum Eingeben eines Multimode-Felds.

Claims

Multimodeinterferenzvorrichtung (90), die einen an zumindest einen Hohlkern-Eingangswellenleiter (30) optisch gekoppelten rechteckförmigen Hohlkern-Multimodewellenleiterbereich (32) aufweist, wobei an den inneren Oberflächen der Hohlkernwellenleiter eine reflektierende Beschichtung (92) angeordnet und dadurch gekennzeichnet ist, dass einander gegenüberliegende der den rechteckförmigen inneren Querschnitt des Hohlkern-Multimodewellenleiterbereichs bildenden Oberflächen im Wesentlichen die gleichen effektiven Brechungsindizes aufweisen und einander benachbarte der den rechteckförmigen inneren Querschnitt des Hohlkern-Multimodewellenleiterbereichs bildenden Oberflächen unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die reflektierende Beschichtung zumindest eine Materialschicht aufweist, deren Brechungsindex innerhalb des genutzten Wellenlängenbands geringer ist als der des Wellenleiterkerns.
Vorrichtung nach Anspruch 2, worin zumindest eine der zumindest einen Materialschichten, die an der inneren Oberfläche des Hohlkern-Wellenleiters angeordnet sind, ein Metall ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Metall entweder aus Gold, Silber oder Kupfer besteht.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die reflektierende Beschichtung eine oder mehrere Schichten aus einem dielektrischen Material aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die zum Betrieb bei einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,4 bis 1,6 μm ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der zumindest eine Hohlkern-Eingangswellenleiter als Grundmode-Wellenleiter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der zumindest eine Hohlkern-Eingangswellenleiter als Multimode-Wellenleiter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Abmessungen des Hohlkern-Multimode-Eingangswellenleiterbereichs so gewählt sind, dass ein geändertes Abbild des von dem zumindest einen Hohlkern-Eingangswellenleiter transportierten optischen Eingangsfeldes erzielt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die hohlen Wellenleiter der Multimode-Interferenzvorrichtung aus einem Halbleitermaterial gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, worin das Halbleitermaterial Silicium umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10 der 11, worin die Hohlkern-Wellenleiter unter Verwendung von Halbleiter-Mikrofabrikationsverfahren ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, worin tiefes Plasmaätzen (Deep Reactive Ion Etching) das Halbleiter-Mikrofabrikationsverfahren darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Hohlkern-Wellenleiter in einer Kunststoff- oder einer Polymerschicht ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Hohlkern-Wellenleiter aus Glas gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Hohlkern-Wellenleiter Gas aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, worin Luft das Gas bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 16, worin ein optisches Verstärkermedium das Gas bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, worin der Hohlkern eine Flüssigkeit aufweist.
Optischer Verstärker (110; 180, 114, 190; 210, 212, 214; 230, 232, 234, 236), der einen N-fach Strahlteiler (112; 180; 210; 230), einen optischen Mehrelementeverstärker (114; 221; 234) und eine Strahlzusammenführung (116; 190; 214; 236) aufweist, wobei diese optisch in Reihe geschaltet sind und der optische Verstärker auf zumindest einen der Ausgänge des N-fach Strahlteilers folgt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der N-fach Strahlteiler oder die Strahlzusammenführung eine Hohlkern-Multimode-Interferenzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 aufweisen.
Optischer Verstärker nach Anspruch 20, worin sowohl der N-fach Strahlteiler als auch die Strahlzusammenführung eine Hohlkern-Multimode-Interferenzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 aufweisen.
Optischer Verstärker nach Anspruch 20, worin der N-fach Strahlteiler eine Vollkern-Multimode-Interferenzvorrichtung aufweist.
Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 20 bis 22, der ferner eine Phasenverschiebungseinrichtung (196; 212; 232) zur Anpassung der relativen Phasen der verstärkten Strahlen vor einem Zusammenführen der Strahlen in der Strahlzusammenführung aufweist.
Resonator, der – einen Auskoppelungsspiegel (166), – eine Aufteilungs-/Zusammenführungs-Einrichtung (152; 200), – einen optischen Mehrelementeverstärker (114) und – einen Spiegel (164) umfasst, wobei der Auskoppelungsspiegel, die Aufteilungs- /Zusammenführungs-Einrichtung, der optische Mehrelementeverstärker und der Spiegel so angeordnet sind, das die Aufteilungs-/Zusammenführungs-Einrichtung einen einzelnen Strahl in N Strahlen (mit N größer oder gleich 2) aufteilt, jeder der N Strahlen von dem optischen Mehrelementeverstärker verstärkt und von dem Spiegel so reflektiert und umgelenkt wird, dass er durch den Mehrelementeverstärker zurückgeleitet wird, wobei die N Strahlen dabei von der Aufteilungs-/Zusammenführungs-Einrichtung zur Ausbildung eines einzelnen Strahls zusammengeführt werden und ein Teil des einzelnen Strahls durch den Auskoppelungsspiegel aus dem Resonator austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilungs-/Zusammenführungs-Einrichtung von einer Hohlkern-Multimode-Interferenzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 gebildet ist.