DE68915459T2 - Integriert-optische Vorrichtung für die Trennung der Polarisationskomponenten eines elektromagnetischen Feldes und Verfahren für deren Herstellung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine integriert-optische Vorrichtung, die es gestattet, die Polarisationskomponenten eines geführten elektromagnetischen Feldes zu trennen, und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
• Es ist üblich, integriert-optische Vorrichtungen beispielsweise für den Fall zu verwenden, wo man ein von einer optischen Faser transportiertes Lichtbündel auf eine andere optische Faser übertreten lassen will. Der einfachste Fall einer derartigen Übertragung besteht darin, zwei optische Fasern Ende an Ende miteinander zu verbinden. Ebenso kann man zu einer derartigen Übertragung der gesamten transportierten Energie oder eines Teils davon gelangen, wenn man zwischen den beiden optischen Fasern eine integriert-optische Vorrichtung anbringt.
• Die einfachste Vorrichtung, dargestellt in Fig. 1, besteht aus einer Wellenleiterstruktur, die eine dünne Führungsschicht 10, Kern genannt, umfaßt, die zwischen zwei Schichten 20, 30 eingefügt ist, wobei die gesamte Anordnung auf einem Substrat 40 abgeschieden ist. Der Brechungsindex des Kerns ist immer größer als die Brechungsindizes der angrenzenden Schichten 20, 30.
• Das Lichtbündel breitet sich in dieser Führungsschicht 10 aus, mit einem abklingenden Teil in jeder der angrenzenden Schichten. Fig. 1 stellt einen Querschnitt in der Ausbreitungsrichtung dar.
• In einer derartigen Struktur kann sich ein elektromagnetisches Feld entsprechend zwei Arten von Ausbreitungsmoden ausbreiten: entsprechend einer ersten Art von Moden, transversal oder quasi-transversal elektrische genannt (mit TE bezeichnet), für die das mit der elektromagnetischen Welle verbundene elektrische Feld in der Ebene der Führungsschicht liegt, und entsprechend einer zweiten Art von Moden, transversal oder quasi-transversal magnetische genannt (mit TM bezeichnet), für die das magnetische Feld in der Ebene der Schicht liegt. Im allgemeinen sind die integriert-optischen Vorrichtungen derart aufgebaut, daß sie nur die Ausbreitung einer einzigen Mode jedes Typs gestatten. Diese Moden werden fundamentale Moden genannt. Der größeren Einfachheit halber wird im Rest der Beschreibung der Fall von Strukturen betrachtet, die nur die Ausbreitung dieser fundamentalen Moden gestatten. Jede Welle, deren zugehöriges elektrisches Feld gegenüber dem dieser beiden Moden geneigt ist, zerfällt notwendigerweise in zwei Komponenten, die eine vom Typ TE, die andere vom Typ TM.
• Eine ebenfalls bekannte integriert-optische Vorrichtung erlaubt, Übertragungen durch Kopplung durchzuführen. Ein Beispiel für eine derartige Schaltung ist in Fig. 2, gesehen im Querschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, und in Fig. 3 in Aufsicht dargestellt. Die Struktur des Kopplers für elektromagnetische Wellen in integrierter Optik, der in diesen Figuren dargestellt ist, umfaßt zwei im allgemeinen identische Schichten 3, 4, zwischen denen zwei getrennte Schichten 1, 2 eingefügt wurden, von höherem Index als die Schichten 3 und 4 und von für die zwei Schichten identischem Index, wobei diese Schichten sich auf derselben Ebene befinden, wie aus dem in Fig. 2 dargestellten Schnitt zu sehen ist. Die mit den angrenzenden Schichten 3 und 4 verbundenen Schichten 1 und 2 bilden parallele optische Wellenleiter. Die Anordnung ist auf einem Substrat 5 abgeschieden. Die Wahl des Zwischenraums e zwischen den zwei Schichten, die die eigentlichen Kerne 1, 2 bilden, erlaubt, die Koeffizienten KE und KM der Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern zu beeinflussen. Diese Koeffizienten sind ebenfalls Funktion der die Wellenleiter charakterisierenden Parameter. KE und KM stellen die Koeffizienten der Kopplung für die Moden TE bzw. TM (geführte Moden) dar.
• Wenn man eine elektromagnetische Welle in den Kernwellenleiter 1 einleitet, kann die gesamte Energie dieser Welle am Ende von Strecken der Ausbreitung, die von den Koeffizienten KE, KM der Kopplung abhängen, in den Wellenleiter 2 übergehen, unter der Bedingung, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der geführten Moden des gleichen Typs in jedem der Wellenleiter, für sich betrachtet, identisch sind. Im Fall, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeiten nicht gleich sind, wird die Energieübertragung unvollständig sein, sie wird aber ein Maximum am Ende von Strecken erreichen, die von den Koeffizienten KE und KM der Kopplung, aber auch von dem Unterschied zwischen diesen Geschwindigkeiten abhängen.
• Klassisch benutzt man geführte Strukturen, die eine geringe Indexdifferenz Δn zwischen dem Kern und den zwei Schichten haben, zwischen denen dieser eingefügt ist, denn dann hängt die Struktur sehr wenig von der Art der Polarisation der Welle ab. Dies ist ein Vorteil, man kann in der Tat eine Lichtwelle mit einer derartigen Struktur führen, ohne sich um ihre Polarisation zu kümmern, da die Moden TE und TM dann Feldverteilungen und effektive Indizes haben, die sehr nahe beieinanderliegen (es wird daran erinnert, daß der effektive Index das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit der geführten Mode ist). Ferner ermöglicht diese Art von Strukturen einen erhöhten Kopplungsgrad zwischen einer optischen Monomode-Faser und den Lichtwellenleitern.
• Es hat sich jedoch in gewissen Anwendungen als notwendig herausgestellt, Wellenleiterstrukturen mit kleinen Indexdifferenzen (kleine Werte von Δn) zu verwenden, damit wenigstens einer der Wellenleiter sehr wenig polarisationsempfindlich ist und einen guten Verbindungsgrad mit einer Monomode-Faser besitzt, und gleichzeitig die Polarisationskomponenten des geführten elektromagnetischen Feldes trennen zu können. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn man einen Empfänger für mehrfache Polarisation (in angelsächsischer Terminologie "Polarization diversity receiver") aufbauen will, dies ist auch der Fall, wenn man optische Empfänger aufbauen will, die die Lichtpolarisation verwenden.
• Eine Zusammenfassung eines japanischen Patents, Bd 8, Nr. 151 vom 13. Juli 1984 (JP-A-59 48713) betrifft ein optisches Element zur Führung, das gestattet, die Polarisationen TE und TM zu demultiplexen. Dieses Element umfaßt zwei auf einem Substrat angeordnete optische Wellenleiter. Die zwei Wellenleiter sind einander nahe über eine Länge, die derart bestimmt ist, daß eine Energiekopplung vom einen Wellenleiter zum anderen möglich ist. Die Brechungsindizes jedes Wellenleiters sind derart gewählt, daß der eine Wellenleiter imstande ist, eine Welle entsprechend den Moden TE und TM zu leiten, während der andere diese Welle lediglich entsprechend der Mode TM leiten kann. Wenn die Kopplung der Energie von einem Leiter zum anderen stattfindet, werden daher die zwei Moden TE und TM getrennt, wobei der erste Wellenleiter die Energie entsprechend der Mode TE führt, der zweite Wellenleiter die Energie entsprechend der Mode TM führt. Diese Vorrichtung erlaubt, ein Demultiplexing der zwei Komponenten der Moden TE und TM einer polarisierten Welle durchzuführen.
• Eine Zusammenfassung eines japanischen Patents, Bd. 10, Nr. 140, vom 23. Mai 1986 (JP-A-60 260 008) beschreibt ein optisches Element, das einen Richtkoppler bildet, der mit übereinandergelegten Schichten aufgebaut ist. Das Element besteht aus einem Substrat, auf dem zwei zueinander parallele optische Wellenleiter ausgebildet sind, die über ihre gesamte Länge hin durch einen konstanten Abstand voneinander getrennt sind.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Lösung dem Problems, zugleich sehr wenig empfindlich gegen die Polarisation einer Lichtwelle zu sein und dabei die Trennung der zwei Polarisationskomponenten TE und TM zu erlauben. Sie betrifft eine integriert-optische Vorrichtung von der Art eines Kopplers, die durch ihre spezielle Struktur und durch ihre optischen Eigenschaften die zwei gewünschten Funktionen zu erhalten gestattet.
• Die Erfindung hat also eine integriert-optische Vorrichtung zur Trennung der Polarisationskomponenten eines geführten elektromagnetischen Feldes zum Gegenstand, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
• In vorteilhafter Weise umfassen die Streifen in zwei parallelen Ebenen einen geradlinigen Teil, der mit einem konstanten Zwischenraum versehen ist, und einen gekrümmten Teil, der in der Verlängerung des entsprechenden geradlinigen Teils ausgebildet ist und der mit einem wachsenden Zwischenraum versehen ist, um die Kopplung zwischen den zwei Strukturen bis hin zum Verschwinden zu verringern. Nach dem Verschwinden der Kopplung kann der Zwischenraum zwischen den zwei Streifen wieder konstant werden.
• Die Trennung der Moden durch zwei Wellenleiterstrukturen wird durch Vergrößerung des Kopplungszwischenraums über den Kopplungsabstand einer der Moden hinaus realisiert, wobei die Abmessungen der Streifen konstant bleiben und/oder wobei man gegebenenfalls die Abmessungen der Streifen verändert.
• Man kann den Führungsstreifen vom Index n1 mit schwach dotiertem Siliciumoxid ausführen, wobei die zweite und die dritte Schicht der zwei Strukturen mit Siliciumoxid realisiert werden und der Führungsstreifen vom Index n2 mit hoch dotiertem Siliciumoxid.
• Man kann ebenso den Streifen vom Index n1 mit schwach dotiertem Siliciumoxid realisieren, wobei der Streifen vom Index n2 entweder aus Siliciumnitrid, aus Aluminiumoxid oder aus Siliciumoxynitrid besteht, während die zweite und die dritte Schicht der zwei Strukturen aus Siliciumoxid bestehen.
• Die Erfindung hat ebenso ein Verfahren zur Herstellung einer integriert-optischen Vorrichtung, wie sie vorher definiert wurde, zum Gegenstand, wobei das genannte Herstellungsverfahren wie in Anspruch 5 definiert ist.
• Da die Schichten vom Index n5, n4, n3 vorteilhaft aus dotiertem oder nicht dotiertem Siliciumoxid sind, scheidet man beispielsweise diese Schichten mit einer als PECVD bezeichneten Technik ab, die einer Abscheidung durch plasma-unterstützte chemische Zersetzung in der Dampfphase entspricht.
• In jedem Fall wird die Erfindung besser verstanden werden im Licht der nun folgenden Beschreibung, der Zeichnungen beigefügt sind. Darin stellt
• - Fig. 1 eine Wellenleiterstruktur entsprechend der bisherigen Technik dar, gesehen im Schnitt entsprechend einer zur Ausbreitungsrichtung der Wellen parallelen Ebene,
• - Fig. 2 stellt einen Koppler dar, gesehen im Schnitt entsprechend einer zur Ausbreitungsrichtung der Wellen senkrechten Ebene,
• - Fig. 3 stellt einen der bisherigen Technik entsprechenden Koppler nach Fig. 2 in Aufsicht dar,
• - Fig. 4 stellt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen integriert-optischen Vorrichtung in Aufsicht dar,
• - Fig. 5 stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung dar, gesehen entsprechend einem Querschnitt V-V im geradlinigen Teile
• - Fig. 6 stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung dar, gesehen entsprechend einem Querschnitt VI-VI im gekrümmten Teil,
• - Fig. 7 stellt die zu einer ersten Ausführungsform gehörende erfindungsgemäße Vorrichtung dar, gesehen in einem Längsschnitt, der der Ausbreitungsrichtung der Wellen entspricht,
• - Fig. 8 stellt einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, die zu einer zweiten, einer dritten und einer vierten Ausführungsvariante gehört,
• - Fig. 9 stellt die charakteristischen Kurven der Kernwellenleiter 1 und 2 dar, die die Änderungen der effektiven Indizes für jede der Moden in Abhängigkeit von den Änderungen der Dicke der Kerne wiedergeben,
• - Fig. 10 bis 14 stellen jeweils einen Schritt des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
• Eine klassische Wellenleiterstruktur und ein Koppler wurden in Fig. 1, 2 bzw. 3 dargestellt und bereits im einleitenden Teil beschrieben.
• Fig. 4 stellt nun ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Diese Ansicht stellt eine Aufsicht der Vorrichtung dar. Die Vorrichtung umfaßt zwei Führungsstreifen 1 und 2, die sich nach diesem speziellen Beispiel übereinandergelegt, dann voneinander entfernt befinden, aber nicht in derselben Ebene. Die Streifen umfassen einen Teil A, in dem sie im wesentlichen geradlinig sind, und einen Teil B, in dem sie voneinander entfernt werden und gekrümmt sind. Eine Schicht 7 von niedrigerem Index ist zwischen den beiden Streifen angeordnet, die die Kerne der beiden geführten Strukturen nach dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung bilden. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nach Maßgabe der Beschreibung genauer ausgeführt.
• Die Lichtwelle wird beispielsweise von dem Führungsstreifen 1 aufgenommen, weshalb man vorsehen kann, daß dieser Streifen eine Verlängerung gegenüber dem Streifen 2 aufweist, um diese Welle zu empfangen, ohne daß diese zugleich von dem Führungsstreifen 2 empfangen wird. Diese Führungsstreifen wie der Streifen 1 oder der Streifen 2 werden klassisch als Kern in einer Wellenleiterstruktur bezeichnet. Eine gekrümmte Form nehmen diese Kerne am Ende einer vorher festgelegten gemeinsamen Länge L an, die etwas kleiner als die Kopplungslänge Lc ist, d.h. die Länge, an deren Ende die von dem Kern 1 transportierte Energie einer der Moden in den Kern 2 übertragen ist. Die Kerne 1 und 2 sind dann ausreichend voneinander entfernt und getrennt, so daß zwischen ihnen keine Wechselwirkung mehr besteht. Aus geometrischen Gründen kann es nützlich sein, die Energie auf jedem der Kerne 1 und 2 mittels eines zusätzlichen Kernes zu sammeln, der die gleichen Dimensionen wie der Ausgangskern hat. Aus diesem Grunde ist beispielsweise in dieser Figur ein zusätzlicher Kernabschnitt 1' dargestellt der dem Kern 2 überlagert ist und der es gestattet, durch Kopplung die gesamte Energie, die von diesem Kern 2 stammt, zu sammeln. Dieser Kernabschnitt 1' ist dem Ende von Kern 2 über eine Länge hin überlagert, die gleich der Kopplungslänge ist
• Wie aus Fig. 5 und 6 zu sehen ist, die einem Schnitt V-V bzw. einem Schnitt VI-VI entsprechen, welche beide in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Wellen gemacht sind, umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei Wellenleiterstrukturen. Eine erste Struktur umfaßt den Kern 1 vom Brechungsindex n1, der zwischen zwei Schichten 6, 7 vom Brechungsindex n3, n4 eingefügt ist. Die zweite Wellenleiterstruktur umfaßt den Kern 2 vom Brechungsindex n2, der zwischen zwei Schichten 7, 8 vom Brechungsindex n4, n5 eingefügt ist, wobei die Schicht 7 beiden Strukturen gemeinsam ist. Diese beiden Strukturen sind auf einem Substrat 9 abgeschieden. Das Substrat 9 ist vorteilhaft Silicium, und die Schichten 6, 7, 8 sind vorteilhaft Siliciumoxid und so beschaffen, daß n3 = n4 = n5 = n. Selbstverständlich könnte das Substrat ebenso Glas oder Quarz oder jedes andere Material sein, auf dem man Abscheidungen durchführen kann, und die Schichten 6, 7, 8 können aus verschiedenen Materialien bestehen, welche jedoch jeweils einen Brechungsindex haben müssen, der kleiner ist als der des Kernes, den sie umgeben. Man wählt für die eine der zwei Strukturen derartige Materialien, daß die Differenz des Brechungsindex zwischen dem Kern und den Schichten, zwischen denen dieser eingefügt ist, ziemlich klein ist, und man wählt für die andere Struktur derartige Materialien, daß die Differenz des Brechungsindex zwischen dem anderen Kern und den Schichten, zwischen denen dieser eingefügt ist, groß ist. Beispielsweise wählt man mit Schichten 6, 7, 8 aus Siliciumoxid einen Kern 1 aus dotiertem Quarz (n1-n = 5.10&supmin;³) und einen Kern 2 aus Aluminiumoxid (n2-n = 1,5.10&supmin;³) oder aus Siliciumnitrid (n2-n = 5,5.10&supmin;¹) oder aus Siliciumoxynitrid (bei dem n2-n zwischen einigen 10&supmin;¹ und einigen 10&supmin;² variieren kann).
• Der effektive Index für ein Lichtbündel, das sich in einer geführten Struktur ausbreitet, hängt zugleich vom reellen Index der durchquerten Schichten, von den Dimensionen dieser Schichten und von der Natur der Ausbreitungsmode ab.
• Da die Moden TE und TM nicht die gleiche räumliche Verteilung haben, versteht man, daß sie nicht die gleichen effektiven Indizes haben.
• Die eine der Strukturen (1), die eine kleine Variation des Brechungsindex hat, wird also erlauben, effektive Indizes für die Moden TE und TM zu erzielen, die im wesentlichen gleich sind, die andere Struktur (2), die eine hohe Variation des Brechungsindex hat, wird erlauben, unterschiedliche effektive Indizes für die beiden Moden zu erzielen. Ferner sind diese beiden Wellenleiterstrukturen konzipiert, um bei ihnen verschiedene effektive Indizes für die eine polarisierte Komponente des elektromagnetischen Feldes und gleiche für die andere Komponente zu erzielen, wobei der Zwischenraum e zwischen ihren Kernen derart ist, daß er eine Kopplung der Energien zwischen dem Kernwellenleiter 1 und dem Kernwellenleiter 2 erlaubt. Allein die Moden, für die die effektiven Indizes identisch sind, werden von einem Kern zum anderen, genauer: von einer Wellenleiterstruktur zur anderen, übertreten, während die Energie, die in der Mode des Wellenleiters transportiert wird, deren effektiver Index verschieden von dem der entsprechenden Mode in dem anderen Wellenleiter ist, nicht übertragen wird. Es genügt also, daß am Ende der Länge Lc, d.h. am Ende der Strecke, für die die ganze Energie von einer der beiden Moden übertragen wurde, die Kerne der Wellenleiterstrukturen genügend getrennt sind, damit keine Wechselwirkung mehr zwischen ihnen besteht und keine Kopplung mehr möglich ist. Um die fortschreitende Abnahme der Kopplung nach der Trennung der zwei Wellenleiterstrukturen zu berücksichtigen, wird man als geradlinige, für die beiden Strukturen gemeinsame Strecke in der Praxis eine Strecke L nehmen, die kleiner als die Kopplungslänge Lc ist. Der Wert von L wird derart berechnet, daß die gesamte übertragbare Energie der Mode tatsächlich übertragen wird; er hängt insbesondere von der Art und Weise ab, in der man die Trennung zwischen den zwei Strukturen ausführt. Man wählt also beispielsweise eine den Kern 1 enthaltende Wellenleiterstruktur, für die der effektive Index n1effTE der Mode TE sehr nahe dem effektiven Index n1effTM der Mode TM ist, wobei dieser gleich dem effektiven Index n2effTM für die Mode TM der Struktur ist, die den Kern 2 enthält. Die Wellenleiterstruktur, die den Kern 2 enthält, ist so beschaffen, daß der effektive Index n2effTE der Mode TE dagegen genügend verschieden von dem effektiven Index n2effTM der Mode TM ist. Daher wird die Energie, die von der Ausbreitung der Mode TM im Kernwellenleiter 1 stammt, vollständig in den Kernwellenleiter 2 übertragen werden können, während die Energie, die von der Ausbreitung der Mode TE herrührt, im Kernwellenleiter 1 bleiben wird. Die Komponenten der Moden TE und TM werden also getrennt.
• Der in Fig. 6 dargestellte Schnitt gestattet es, die Trennung zwischen den beiden Kernen 1 und 2 darzustellen, wobei die Kerne nicht mehr übereinanderliegen, sondern sich nach dieser Ausführungsform voneinander räumlich und transversal um einen Wert a entfernen, der in dem Maß zunimmt, wie man sich von dem Punkt der Trennung zwischen diesen Wellenleitern entfernt, und der dann konstant wird.
• Auf dieser Fig. 7 ist ein Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, der im Teil A ausgeführt ist. Dieser Schnitt ist also in der Ausbreitungsrichtung der Wellen gemacht. Er gestattet, eine erste Ausführungsform der Erfindung darzustellen. Man erkennt daher die verschiedenen Schichten der Erfindung, an erster Stelle einen Träger 9 aus Silicium, eine Schicht aus Siliciumoxid 8 vom Brechungsindex n, den Kern 2 vom Brechungsindex n2, der nach dieser ersten Ausführungsvariante mit einer Schicht von hoch dotiertem (N&spplus;&spplus;) Siliciumoxid (SiO&sub2;) ausgeführt ist. Ebenso erkennt man die Schicht von Siliciumoxid 7 vom Index n und darüber den Kern 1 vom Index n1, der nach dieser ersten Ausführungsvariante mit einer Schicht von schwach dotiertem (N&spplus;) Siliciumoxid auf der Schicht von Siliciumoxid 6 vom Brechungsindex n ausgeführt ist.
• In Fig. 8 ist ebenfalls die Struktur dargestellt, gesehen im Schnitt, der im Teil A in einer zur Ausbreitungsrichtung der Wellen parallelen Ebene durchgeführt ist. Dieser Schnitt gestattet in gleicher Weise, die übereinandergelagerte Struktur der Schichten nach der zweiten, dritten und vierten Ausführungsvariante zu zeigen. Diese Figur unterscheidet sich von Fig. 7 in der Art der Ausführung der Schicht 2, d.h. des Kerns 2, der entweder aus Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) oder aus Siliciumoxynitrid (SiON) hergestellt sein kann. Andere Materialien mit geeignetem Brechungsindex und geeigneter optischer Qualität, die durch Abscheidung erhältlich sind, können verwendet werden. Die Schichten 6, 7, 8 können wie die in Fig. 7 auftretenden Schichten aus Siliciumoxid und das Substrat 9 aus Silicium erzeugt werden. So kann man, wenn man einen Kern von schwach dotiertem Silicium nimmt, eine ziemlich kleine Variation des Brechungsindex, d.h. ein kleines n1-n, erhalten, und wenn man hoch dotiertes Silicium, Aluminiumoxid, Siliciumnitrid oder Siliciumoxynitrid nimmt, kann man eine erhöhte Variation des Brechungsindex, d.h. ein erhöhtes n2-n, erhalten.
• Wenn man eine Variation n1-n von der Größenordnung von einigen 10&supmin;³ wählt, was den in den Fasern angetroffenen Variationen des Index entspricht, eine Höhe h1 von der Größenordnung von 5 um, wobei der Index n1 gleich 1,46 ist, und wenn man eine Gleichheit zwischen den effektiven Indizes n1effTE, n1effTM und n2effTM erzielen will, wählt man ein genügend großes n&sub2;-n von der Größenordnung 0,55, kann aber ebenso ein etwas kleineres n2-n von der Größenordnung 0,15 wählen, was einem reellen Brechungsindex n2 = 1,61 (Aluminiumoxid) entspricht. Um die gewünschten Bedingungen zu erzielen, wird man in diesem Fall eine Höhe h2 des Kerns 2 wählen, die zwischen 300 und 500 Å liegt, und man wird ebenso Gleichheit zwischen dem Index n1effTM und n2effTM und Verschiedenheit zwischen dem Index n1effTE und n2effTE erzielen können, indem man ein n2-n der Größenordnung 0,07 wählt, was einem Index n2 = 1,52 entspricht, indem man eine Höhe h2 des Kerns 2 wählt, die zwischen 2000 und 5000 Å liegt, und dies, indem man für dem Kern 2 hoch dotiertes Siliciumoxid (beispielsweise mit Phosphor, Titan oder Germanium) wählt.
• Man kann eine ausreichende Präzision in der Gleichheit der effektiven Indizes für die eine der beiden Moden (TE oder TM) durch Kontrolle der Dicke und des reellen Brechungsindex der Strukturen erreichen. In Fig. 9 ist die Änderung der effektiven Indizes für jede der Moden TE, TM einerseits für den Kern 1, andererseits für den Kern 2 in Abhängigkeit von der Dicke dieser Kerne dargestellt. nS bedeutet den Brechungsindex des Substrats, n1 und n2 sind die reellen Brechungsindizes der Kerne 1 bzw. 2. Für ein gegebenes Material und für ein gegebenes Frequenzband trägt man in klassischer Weise die Kurve des effektiven Brechungsindex für die Mode TE und für die Mode TM für jeden der beiden Kerne auf. Dann wählt man auf den Kurven, die der Änderung des effektiven Index für die Moden TE, TM entsprechen, zwei Punkte, für die der effektive Index für die Moden TE oder TM für die beiden Kerne gleich ist. Ausgehend von diesen zwei Punkten bestimmt man den entsprechenden Wert der Dicke jedes Streifens, der die Kerne 1 und 2 bildet. Der Kern 1 wird also eine Dicke h1 und einen effektiven Index n1effTE haben, der sehr nahe bei dem effektiven Index n1effTM liegt und gleich dem effektiven Index n2effTE ist, während der effektive Index n2effTM von dem effektiven Index n1effTM und von dem effektiven Index n2effTE des Kernes 2 verschieden ist, der also eine Dicke h2 haben wird.
• Die Fig. 10 bis 14 stellen jeweils einen Schritt eines Beispiels für das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
• Man geht also aus von einem Substrat aus Silicium 9, auf dem man eine Abscheidung einer Schicht 8 aus Siliciumoxid vornimmt, wobei die Dicke h8 der Schicht 8 von der Größenordnung von 8 bis 10 um ist. Man schreitet dann zur Abscheidung der Schicht 2 von hoch dotiertem Siliciumoxid einer Dicke h2, die im wesentlichen gleich 0,2 um ist.
• Die Dotierung geschieht bei der Abscheidung, und die Abscheidung erfolgt mit einer klassischen, PECVD genannten Technik, die einer Abscheidung durch plasma-unterstützte chemische Zersetzung in der Dampfphase entspricht.
• Die Dotierung erfolgt in klassischer Weise und entspricht einer Dosierung von 18 Gew.-% Phosphor. Selbstverständlich kann die Abscheidung der Schicht 2 nach jeder anderen gleichwertigen Methode erfolgen, und die benutzte Dotierung kann in Germanium, Titan oder anderen geeigneten Dotierungsstoffen bestehen.
• In Fig. 11 schreitet man zu einer partiellen Ätzung der Schicht 2 von hoch dotiertem Siliciumoxid, um einen Streifen 2 zu erhalten, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Die Breite W2 des Streifens 2 ist im allgemeinen von der Größenordnung 3 bis 6 um, je nach dem Wert des Brechungsindex n2.
• Fig. 12 stellt einen Schritt der Abscheidung der Schicht von Siliciumoxid 7 dar, die die Schicht von Siliciumoxid 8 und den Kern 2 bedeckt, wobei diese Schicht eine Höhe h7 von der Größenordnung 1 bis 3 um hat. Ebenso dargestellt ist in dieser Fig. 12 der Schritt der Abscheidung der Schicht von schwach dotiertem Siliciumoxid 1, die die Schicht von Siliciumoxid 7 bedeckt. Die Abscheidung wurde beispielsweise ebenfalls mit der klassischen PECVD-Technik durchgeführt, die Schicht hat eine Höhe h1, die im wesentlichen gleich 5 pm ist (diese Höhe ist beispielsweise mit dem Durchmesser der klassischen Monomode-Fasern vergleichbar). Die Dotierung erfolgt bei der Abscheidung, und sie entspricht beispielsweise einer Dosierung von 0 bis 1% Phosphor. (Wie vorher kann die Dotierung mit anderen Typen von Dotierungsstoffen erhalten werden).
• In Fig. 13 ist der Schritt dargestellt, der der Ätzung der Schicht 1 entspricht und den Kern 1 zu erhalten erlaubt, der die Form eines Streifens hat, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Die Breite W1 dieses Streifens wird im allgemeinen von der Größenordnung 4 bis 6 um sein, im Einklang mit den Kerndurchmessern der optischen Fasern.
• In Fig. 14 ist der letzte Schritt des Verfahrens dargestellt, der in einer Abscheidung der Schicht 6 von Siliciumoxid besteht, die die gesamte freigelegte Oberfläche der Schicht 7 und die Oberfläche des Kernes 1 bedeckt, wobei die Höhe h6 dieser Schicht im wesentlichen gleich 10 pm ist. Unter diesen Bedingungen ist die Variation des Index n2-n gleich 7.10&supmin;², und die Variation des Index n1-n ist gleich 5.10&supmin;³. Diese Werte wurden für eine Wellenlänge der sich in der Vorrichtung ausbreitenden Welle von 1,3 um, einen Kopplungskoeffizienten K=3.10&supmin;³ für die Mode TM, eine Länge Lc von 500 um und Krümmungsradien von einigen Millimetern festgelegt.
• Selbstverständlich entsprechen die angegebenen Werte einer speziellen Anwendung. Die Werte der Gesamtheit dieser Parameter werden nicht die gleichen sein, wenn man beispielsweise Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Siliciumoxynitrid benutzt, um den Kern 2 herzustellen.
• Das spezielle Ausführungsbeispiel, das gegeben wurde und für das ein Herstellungsverfahren beschrieben wurde, entspricht einer Struktur, die übereinandergelagerte Schichten besitzt, in denen sich die Kerne 1, 2 befinden, wobei diese Kerne in dem Teil A, in dem der größte Teil der Kopplurg erfolgt, ebenfalls übereinandergelagert sind. Eine Struktur, in der die zwei Kerne 1, 2 nahe beieinander in zwei übereinandergelagerten Schichten angebracht wären, d.h. nicht der eine dem anderen direkt gegenüber, die aber eine Kopplung in der Teil A erlauben würden, bleibt ganz offensichtlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
• Ferner sind in der Darstellung von Fig. 4 die Streifen von Teil B in den beiden Wellenleiterstrukturen jeweils gekrümmt, aber selbstverständlich genügt es, daß einer dieser Streifen allein gekrümmt und genügend von dem anderen Streifen, der geradlinig bleiben kann, entfernt ist, um jede Kopplung zu vermeiden.

Claims (5)

1. Integriert-optische Vorrichtung zur Trennung der Polarisationskomponenten eines geführten elektromagnetischen Feldes, gebildet aus einem Koppler, der eine erste und eine zweite Struktur zur Führung elektromagnetischer Wellen umfaßt, die jeweils einen Kern (1, 2) umfassen, Kerne, die durch einen vorher bestimmten Zwischenraum voneinander getrennt sind, um eine Kopplung der Energie von der einen Struktur zu der anderen hin zu ermöglichen, wobei diese Strukturen geführte Moden zulassen, die verschiedene effektive Indizes für eine erste Polarisationskomponente (TE oder TM) und gleiche Indizes für eine zweite Polarisationskomponente (TM oder TE) dieses Feldes haben, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Kernen auf einer ebenfalls zuvor gleich der Strecke (Lc) bestimmten Strecke, an deren Ende ein vollständiger Transfer der Energie, soweit es die zur zweiten Polarisationskomponente gehörende Energie betrifft, von der einen Struktur zu der anderen hin stattfindet, konstant ist, während der die beiden Strukturen trennende Zwischenraum jenseits dieser Strecke sich vergrößert, so daß man auf diese Art eine Trennung der Polarisationskomponenten des Feldes erhält, dadurch gekennzeichnet,

daß genannter Kern (1) der ersten Struktur zur Führung aus einem Streifen aus Material mit reellem Index n1 besteht, der zwischen einer ersten und einer zweiten Schicht (6, 7) aus Materialien mit den Indizes n3 bzw. n4 eingeschlossen ist,

daß genannter Kern (2) der zweiten Struktur zur Führung aus einem Streifen aus Material mit reellem Index n2 besteht, der zwischen der zweiten und einer dritten Schicht (7, 8) aus Materialien mit den Indizes n4 bzw. n5 eingeschlossen ist. wobei genannte erste, zweite und dritte Schicht (6, 7, 8) übereinanderliegend sind und die Streifen (1, 2), die jeweils Kerne bilden, in ihrem geradlinigen Teil (A) sich nahe beieinander und in verschiedenen Schichten (6, 7) befinden,

daß die eine Struktur zur Führung (1, 6, 7) eine geringe Brechungsindexdifferenz n1-n zwischen dem Kern (1) und den Schichten (6, 7), zwischen die er eingeschoben ist, aufweist, während die Brechungsindexdifferenz n2-n zwischen dem anderen Kern (2) der anderen Struktur und den Schichten (7, 8), zwischen die er eingeschoben ist, groß ist,

und daß die erforderlichen Bedingungen hinsichtlich der effektiven Indizes für die erste und die zweite Polarisationskomponente dank einer geeigneten Wahl der jeweiligen Dicke der zwei Strukturen zur Führung erfüllt sind, um für die zweite Polarisationskomponente einen Energietransfer von einer Struktur zur anderen hin, für die erste Polarisationskomponente keinen Energietransfer zu bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen, die die Kerne (1, 2) der genannten Strukturen zur Führung bilden, jeweils einen geradlinigen Teil (A), wobei diese geradlinigen Teile voneinander durch einen konstanten Zwischenraum (e) getrennt sind und in zwei parallelen Ebenen gelegen sind, und einen gekrümmten Teil (B) enthalten, wobei jeder gekrümmte Teil (B) in der Verlängerung des entsprechenden geradlinigen Teils liegt und die genannten gekrümmten Teile voneinander durch einen anwachsenden Zwischenraum getrennt sind, so daß keine Kopplung mehr zwischen den zwei Strukturen besteht.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen aus Material mit dem Index n1, der den Kern (1) der ersten Struktur bildet, aus schwach dotiertem Siliciumoxid besteht und daß der Streifen aus Material mit dem Index n2, der den Kern (2) der zweiten Struktur bildet, aus stark dotiertem Siliciumoxid besteht, während die erste, zweite und dritte Schicht dieser Strukturen aus Siliciumoxid bestehen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (1) aus Material mit dem Index n1, der den Kern der ersten Struktur bildet, aus schwach dotiertem Siliciumoxid besteht und daß der Streifen (2) aus Material mit dem Index n2, der den Kern der zweiten Struktur bildet, aus Siliciumnitrid oder aus Aluminiumoxid oder aus Siliciumoxynitrid besteht, während die erste, zweite und dritte Schicht dieser Strukturen aus Siliciumoxid bestehen.

5. Verfahren zur Herstellung der integriert-optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es nacheinander die folgenden Schritte umfaßt:

- Abscheiden einer Schicht (8) mit dem Index n5 und der Dicke h8, die dazu bestimmt ist, genannte dritte Schicht zu bilden, auf einem Substrat (9),

- Abscheiden einer Schicht (2) mit dem Index n2 und der Dicke h2 auf der vorigen Schicht,

- Ätzen dieser Schicht (2) mit dem Index n2, um einen Streifen vorher bestimmter Breite zu erhalten, der den Kern (2) mit dem Index n2 der genannten zweiten Struktur zur Führung bildet, wobei dieser Streifen einen ersten, im wesentlichen geradlinigen Teil und einen zweiten gekrüümten Teil hat,

- Abscheiden einer Schicht (7) mit dem Index n4 und der Dicke h7, die dazu bestimmt ist, genannte zweite Schicht zu bilden, auf der Schicht mit dem Index n5 und auf dem Streifen mit dem Index n2,

- Abscheiden einer Schicht (1) des Index n1 und der Dicke h1 auf der vorigen Schicht,

- Ätzen dieser Schicht (1) mit dem Index n1, um einen Streifen, der den Kern (1) der genannten ersten Struktur zur Führung bildet, zu erhalten, wobei der genannte Streifen (1) einen ersten, im wesentlichen geradlinigen Teil mit vorher bestimmter Länge (L), der auf der zuvor bestimmten Länge (L) der Führung in der Nähe des ersten geradlinigen Teils des anderen Streifens liegt, sowie einen zweiten Teil hat, wobei die zweiten Teile der Streifen mit den Indizes n2 bzw. n1 sich voneinander entfernen, und

- Abscheiden einer Schicht (6) mit dem Index n3, die dazu bestimmt ist, genannte erste Schicht zu bilden, auf der Schicht (7) mit dem Index n4 und auf dem Streifen (1) mit dem Index n1, wobei die Brechungsindizes der verschiedenen abgeschiedenen Schichten (8, 2, 7, 1, 6) derart gewählt sind, daß die Indexdifferenz zwischen dem Kern (1) der einen Struktur zur Führung und den Schichten (6, 7), zwischen die er eingeschoben ist, gering ist und die Indexdifferenz zwischen dem Kern (2) der anderen Struktur zur Führung und den Schichten (7, 8), zwischen die er eingeschoben ist, groß ist, und die jeweiligen Dicken der zwei Strukturen zur Führung in Abhängigkeit von genannten gewählten Indizes gewählt sind, um genannte Bedingungen zu erfüllen, die hinsichtlich der effektiven Indizes für die erste und zweite Polarisationskomponente erforderlich sind.