DE69026850T2

DE69026850T2 - Gitterkoppler

Info

Publication number: DE69026850T2
Application number: DE69026850T
Authority: DE
Inventors: Osamu Yamamoto; Toshihiko Yoshida
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1990-02-16
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2010-02-17
Also published as: EP0383627A2; US5033812B1; EP0383627B1; DE69026850D1; EP0383627A3; US5033812A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gitterkoppler zum Eingeben von Licht in einen optischen Wellenleiter oder zum Emittieren von Licht aus einem optischen Wellenleiter in integrierten optischen Elementen oder anderen optischen Elementen.
Integrierte optische Aufnehmer, integrierte optische Abrasterelemente, integrierte optische Doppler-Geschwindigkeitsmesser und andere integrierte optische Elemente haben unter Verwendung optischer Wellenleiter, in denen sich Licht ausbreitet, hohes Funktionsvermögen erreicht. Um Licht in den optischen Wellenleiter dieser Arten integrierter optischer Elemente einzugeben, wird das Ende des optischen Wellenleiters optisch poliert, und das Licht wird mittels einer Linse mit großer numerischer Apertur (NA) konvergiert und vom optisch polierten Ende des optischen Wellenleiters her in das Innere des optischen Wellenleiters eingegeben. Wenn jedoch Licht auf diese Weise in einen optischen Wellenleiter eingegeben wird, muß das Ende des optischen Wellenleiters mit hoher Genauigkeit poliert werden, und die optischen Achsen der Linse und des optischen Wellenleiters müssen genau ausgerichtet werden.
Im Gegensatz zu diesem Verfahren werden in großem Umfang andere Verfahren verwendet, bei denen Licht mittels eines Gitterkopplers in einen optischen Wellenleiter eingegeben oder von diesem emittiert wird, wobei der Gitterkoppler wegen seiner geringen Größe und seines dünnen Aufbaus leicht integriert werden kann.
Ein Gitterkoppler wird dadurch hergestellt, daß an der Oberseite eines optischen Wellenleiters ein Gitter angebracht wird. Das Gitter verfügt über verschiedene Konfigurationen wie über mehrere gerade Linien mit demselben Abstand, mehrere gekrümmte Linien, deren Abstand sich allmählich ändert, und dergleichen.
Fig. 5a ist eine Draufsicht, die einen herkömmlichen Gitterkoppler zeigt, und Fig. 5b ist ein Schnitt durch denselben. Der Gitterkoppler wird dadurch hergestellt, daß an der Oberseite eines optischen Wellenleiters 42, der an der Oberseite eines kristallinen Substrats 41 aus LiNbO&sub3; oder einem anderen Material hergestellt ist, ein Gitter ausgebildet wird. Der optische Wellenleiter 42 wird in der Mitte des Substrats von einer Seite zur anderen Seite und über seine Länge mit gleichmäßiger Breite und Dicke ausgebildet. Das Gitter 43 besteht aus mehreren plattenähnlichen, transparenten Elementen gleicher Länge, die den optischen Wellenleiter 42 rechtwinklig zu seiner Länge schneiden. Wenn Licht auf das Gitter 43 gestrahlt wird, tritt es durch das Gitter 43 in den optischen Wellenleiter 42 ein und breitet sich in diesem aus. Das sich im optischen Wellenleiter 42 ausbreitende, geführte Licht wird vom Gitter 43 zur Außenseite des Wellenleiters 42 emittiert.
Wenn sich das im optischen Wellenleiter 42 ausbreitende, geführte Licht 21 bei einem derartigen herkömmlichen Gitterkoppier vom Gitter 43 emittiert wird, gilt folgendes für den Kopplungswirkungsgrad.
Das sich im Gitterkoppler ausbreitende Licht wird durch die Ausbreitung allmählich abgeschwächt. Wenn z die Koordinate der Ausbreitungsrichtung im Gitterkoppler für das im optischen Wellenleiter 42 geführte Licht 21 bezeichnet, wird die Intensität des vom Gitterkoppler emittierten Lichts durch die Differentialgleichung gemäß der folgenden Gleichung 1 erhalten:
dPO/dz = -ηPO (1),
wobei η der Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers ist.
Aus der Gleichung 1 ergibt sich folgendes:
PO exp(-ηz) (2).
Demgemäß ist die Intensitätsverteilung des emittierten Lichts durch eine Exponentialfunktion repräsentiert, wie in Fig. 5b angezeigt.
Auf diese Weise wird das Licht, das sich im optischen Wellenleiter 42 ausgebreitet hat, mit exponentieller Intensitätsverteilung vom Gitterkoppler emittiert. Da ein Gitter jedoch ein optisch umkehrbares Element ist, wird, wenn das in das Gitter eintretende Licht diese Art einer exponentiellen Intensitätsverteilung aufweist, die Intensität des Lichts, das sich im optischen Wellenleiter 42 ausbreitet, konstant, so daß der Kopplungswirkungsgrad des optischen Gitterkopplers deutlich verbessert ist.
In der Realität ist es jedoch schwierig, dem in den Gitterkoppler eintretenden Licht oder dem Licht, das sich im optischen Wellenleiter ausbreitet, die oben erläuterte exponentielle Intensitätsverteilung zu verleihen, und normalerweise hat es eine symmetrische Intensitätsverteilung wie die eines Halbleiterlaserstrahls. Daher ist der Kopplungswirkungsgrad von Gitterkopplern auf ungefähr 80 % beschränkt.
Patent Abstracts of Japan, Vol 12, Nr. 334 (S. P-756) [3181] & JP-A-63 96606, auf denen die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 2 beruhen, offenbaren einen Gitterkoppier, bei dem sich die Dicke des Wellenleiters linear ändert. Dieser Gitterkoppler wirkt als Linse, und ein sich im Gitterkoppler ausbreitender Lichtstrahl wird auf einen Punkt über demselben fokussiert.
Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ist ein Gitterkoppler mit folgendem geschaffen: einem integrierten optischen Wellenleiter und einem auf diesem optischen Wellenleiter ausgebildeten Gitter zum optischen Ein- oder Auskoppeln von Lichtstrahlen in den bzw. aus dem optischen Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des sich dem Gitter entlang erstreckenden optischen Wellenleiters in seiner Breite so verjüngt ist, daß er in der Ausbreitungsrichtung von darin geführtem Licht schmaler wird, um aus dem Gitter ausgekoppelt zu werden, wobei der breitere Teil des sich verjüngenden Wellenleiterquerschnitts am Ende des Gitters liegt, an dem das geführte Licht eintritt, und der schmalere Teil am anderen Ende des Gitters liegt; und die Breitenänderung des sich verjüngenden Wellenleiter-Querschnitts auf solche Weise ausgewählt ist, daß der Kopplungkoeffizient des Gitters allmählich und linear ausgehend vom breiteren zum schmaleren Teil des sich verjüngenden Querschnitts hin ansteigt, wodurch die Intensität des vom Gitter emittierten Lichts eine Normalverteilung zeigt.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist ein Gitterkoppler mit folgendem geschaffen: einem integrierten optischen Wellenleiter und einem auf diesem optischen Wellenleiter ausgebildeten Gitter zum optischen Ein- oder Auskoppeln von Lichtstrahlen in den bzw. aus dem optischen Wellenleiter, wobei der Querschnitt des sich dem Gitter entlang erstreckenden optischen Wellenleiters in seiner Dicke so verjüngt ist, daß er in der Ausbreitungsrichtung von darin geführtem Licht dünner wird, um aus dem Gitter ausgekoppelt zu werden, wobei der dickere Teil des sich verjüngenden Wellenleiterquerschnitts am Ende des Gitters liegt, an dem das geführte Licht eintritt, und der dünnere Teil am anderen Ende des Gitters liegt; dadurch gekennzeichnet, daß die Dikkenänderung des sich verjüngenden Wellenleiter-Querschnitts auf solche Weise ausgewählt ist, daß der Kopplungskoeffizient des Gitters allmählich und linear ausgehend vom dickeren zum dünneren Teil des sich verjüngenden Querschnitts hin ansteigt, wodurch die Intensität des vom Gitter emittierten Lichts eine Normalverteilung zeigt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Gitter aus mehreren plattenähnlichen Streuemrichtungen gleicher Länge besteht, die den optischen Wellenleiter rechtwinklig zu seiner Länge schneiden.
Demgemäß ermöglicht es die hier beschriebene Erfindung, das Ziel des Schaffens eines Gitterkopplers zu erreichen, bei dem die Intensitätsverteilung von Lichtstrahlen innerhalb oder außerhalb des optischen Wellenleiters mit der Kopplungswirkungsgradverteilung des Gitterkopplers übereinstimmt, wodurch der Kopplungswirkungsgrad desselben stark verbessert werden kann.
Die Erfindung kann vom Fachmann unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, und ihre zahlreichen Aufgaben und Vorteile werden daraus ersichtlich.
Fig. 1a ist eine Draufsicht, die einen erfindungsgemäßen Gitterkoppler zeigt.
Fig. 1b ist eine Schnittansicht, die den Gitterkoppier von Fig. 1a zeigt.
Fig. 2 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem effektiven Brechungsindex des optischen Wellenleiters und dem Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers von Fig. 1a zeigt.
Fig. 3a und 3b sind eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht, die einen anderen erfindungsgemäßen Gitterkoppler zeigen.
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm&sub1; das einen Herstellprozeß für den Gitterkoppier von Fig. 3a veranschaulicht.
Fig. 5a und 5b sind eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht, die einen herkömmlichen Gitterkoppler zeigen.
Die Fig. 1a und 1b zeigen einen erfindungsgemäßen Gitterkoppier mit einem Gitter 13 einer Länge d&sub0;, der in der Längsrichtung eines streifenähnlichen optischen Wellenleiters 12 auf diesem ausgebildet ist, wobei der optische Wellenleiter 12 auf einem Substrat 11 aus z. B. LiNbO&sub3; hergestellt ist. Der optische Wellenleiter 12 wird normalerweise durch ein Protonenaustauschverfahren mit gleichmäßiger Dicke ausgebildet.
Das Gitter 13 ist auf dem optischen Wellenleiter 12 positioniert. Die Breite des optischen Wellenleiters 12 ist einheitlich, mit Ausnahme derjenigen im Abschnitt, auf dem das Gitter 13 liegt, wo sich die Breite allmählich verjüngt.
Das Gitter 13, das auf dem sich verjüngenden Teil des optischen Wellenleiters 12 liegt, besteht aus mehreren plattenähnlichen Streuemrichtungen gleicher Länge, wobei diese plattenähnlichen Streuemrichtungen den optischen Wellenleiter 12 rechtwinklig zu seiner Länge schneiden.
Der optische Wellenleiter 12 wird dadurch hergestellt, daß ein Elektronenstrahlresist wie Polymethylmethacrylat auf das Substrat 11 aufgetragen wird, ein Maskenmuster mit der oben angegebenen Form mittels Elektronenstrahlbelichtung aufgezeichnet wird, der Resist belichtet wird und ein normales protonenaustauschverfahren verwendet wird. Das Gitter 13 wird dadurch hergestellt, daß ein transparenter Film wie ein solcher aus Si&sub3;N&sub4; auf dem Substrat 11 abgeschieden wird, auf dem der optische Wellenleiter 12 ausgebildet wurde, ein Elektronenstrahlresist auf dem transparenten Film aufgetragen wird, das Gittermuster unter Verwendung eines Elektronenstrahl-Belichtungsverfahrens gezeichnet wird, und das Muster unter Verwendung eines Ätzmittels, wie gepufferter HF, geätzt wird. Die Länge des Gitterkopplers beträgt vorzugsweise ungefähr 500 µm, um eine Aberration durch die Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung zu vermeiden.
Durch die Änderung der Breite des optischen Wellenleiters 12 ändert sich der Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers. Fig. 2 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem effektiven Brechungsindex des optischen Wellenleiters und dem Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers zeigt. Der effektive Brechungsindex ist ungefähr proportional zur Breite des optischen Wellenleiters. Die Breite des Abschnitts des optischen Wellenleiters 12 unter dem Gitter 13 ist bei diesem Beispiel so eingestellt, daß der Kopplungskoeffizient ein Ende zum schmalsten Teil des optischen Wellenleiters unter dem Gitter 13 hin am höchsten ist und der Kopplungskoeffizient sich linear ändert. Wie es aus dem Kurvenbild von Fig. 2 erkennbar ist, wird der effektive Brechungsindex im schmalsten Abschnitt des optischen Wellenleiters 12, der der Sperrpunkt ist, an dem sich kein geführtes Licht mehr ausbreitet, dem Brechungsindex des Substrats gleich. Der Kopplungskoeffizient nimmt monoton ab, wenn der effektive Brechungsindex mit zunehmender Breite des optischen Wellenleiters 12 größer wird. Bei diesem Beispiel ist die Breite des optischen Wellenleiters 12 so verjüngt, daß der schmalste Abschnitt der Breite des optischen Wellenleiters, wo der Kopplungskoeffizient am höchsten ist, an einem Ende des Gitters 13 liegt, und der breiteste Abschnitt desselben am anderen Ende in der Ausbreitungsrichtung des geführten Lichts liegt.
Wenn Licht in das Gitter 13 des Gitterkopplers mit dem obenangegebenen Aufbau eintritt, wird das Licht durch dieses Gitter 13 gebeugt und in den optischen Wellenleiter 12 gerichtet, wo es sich ausbreitet. Das sich im optischen Wellenleiter 12 ausbreitende Licht wird durch das Gitter 13 gebeugt, von dem es emittiert wird.
Die Emission des geführten Lichts 21, das sich im optischen Wellenleiter 12 ausgebreitet hat, aus dem Gitterkoppler zur Außenseite desselben wird wie folgt beschrieben: wenn die Intensität des emittierten Lichts 22 den Wert P&sub0; hat, der Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers η ist und die Koordinate der Ausbreitungsrichtung des geführten Lichts z ist, ist die Intensität PO des emittierten Lichts durch die folgende Differentialgleichung 3 gegeben.
dP&sub0;/dz = - η(z)P&sub0; (3).
Der Kopplungskoeffizient 71 des Gitterkopplers ist eine lineare Funktion von z&sub1; so daß folgendes gilt:
ex /-z²/&sub2;) (4)
wobei die Intensität P&sub0; des emittierten Lichts eine Normalverteilung zeigt (siehe Fig. 1b).
Auf diese Weise zeigt die Intensität des emittierten Lichts, wenn der Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers sich mit gleichmäßiger Rate in der Ausbreitungsrichtung des geführten Lichts ändert, Normalverteilung hinsichtlich des geführten Lichts mit gleichmäßiger Intensität, so daß die Verteilung des Kopplungswirkungsgrad des Gitterkopplers eine Normalverteilung wird. Demgemäß erreicht der Gitterkoppler dieselbe Kopplungswirkungsgrad-Verteilung wie die von Licht mit einer Normalverteilung der Intensität, wie dies bei einem Laserstrahl der Fall ist, und solange der Gitterkoppier in der Ausbreitungsrichtung des optischen Wellenleiters ausreichend lang ist, ist schwächung des Lichts verringert, obwohl der Gesamtkopplungskoeffizient niedrig ist. Im Ergebnis erreicht der Gitterkoppler eine optische Kopplung mit hohem Wirkungsgrad zwischen den Lichtstrahlen innerhalb und außerhalb des optischen Wellenleiters.
Die Fig. 3a und 3b zeigen einen anderen erfindungsgemäßen Gitterkoppler, bei dem der Kopplungswirkungsgrad des Gitterkopplers dadurch geändert wird, daß die Breite des optischen Wellenleiters konstant gehalten wird, aber die Dicke desselben unter der Fläche, in der das Gitter 13 ausgebildet ist, variiert wird. In diesem Fall wird die Änderung des Kopplungskoeffizients des Gitterkopplers in Beziehung zur Änderung der Dicke des optischen Wellenleiters 12 vorab betrachtet, und die Dicke des optischen Wellenleiters 12 wird so eingestellt, daß der Kopplungskoeffizient unter einem Ende des Gitters 13 am höchsten ist und unter dem anderen Ende des Gitters 13 am niedrigsten ist, wobei sich die Dicke dazwischen linear ändert. Auf diese Weise ist die Dicke des optischen Wellenleiters 12 in der Dickenrichtung so verjüngt, daß der dünnste Abschnitt des optischen Wellenleiters 12 an einem Ende des Gitters 13 liegt und sein dickster Abschnitt am anderen Ende in der Ausbreitungsrichtung des geführten Lichts liegt. Andere Konfigurationen stimmen mit denen des in Fig. 1 dargestellten, funktionierenden Beispiels überein.
Die Dicke des optischen Wellenleiters 12 kann dadurch geändert werden, daß die Protonenaustauschzeit geändert wird, da die Dicke proportional zur Quadratwurzel der Protonenaustauschzeit ist. Um die Dicke des optischen Wellenleiters 12 durch Ändern der Protonenaustauschzeit zu ändern, kann das Substrat 11, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, senkrecht in der Protonenaustauschlösung 31 aufgehängt werden und dann allmählich aus dieser herausgehoben werden.
Obwohl die vorstehend angegebenen Beispiele nur ein Verfahren offenbaren, bei dem der optische Wellenleiter durch Protonenaustausch auf einem LiNbO&sub3;-Substrat ausgebildet wurde und das Gitter aus einem auf diesen optischen Wellenleiter auflaminierten Si&sub3;N&sub4;-Film bestand, ist die Erfindung auf ein Verfahren anwendbar, bei dem der optische Wellenleiter dadurch ausgebildet wird, daß ein ITO-Film, ein Elektronenstrahlresist oder ein anderer transparenter Film einer geeigneten Ätztechnik unterzogen wird.
Darüber hinaus kann als Substrat LiTaO&sub3; (Lithiumtantalat), KTiOPO&sub4; (KTP) usw. verwendet werden, in denen ein optischer Wellenleiter leicht durch Protonenaustausch bei niedriger Temperatur von ungefähr 200ºC hergestellt werden kann.
Es ist zu beachten, daß dem Fachmann andere Modifizierungen erkennbar sind und von ihm leicht ausgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Demgemäß soll der Schutzbereich der Erfindung nicht auf die hier dargelegte Beschreibung begrenzt sein, sondern er soll durch die beigefügten Ansprüche begrenzt sein.

Claims

1. Gitterkoppier mit einem integrierten optischen Wellenleiter (12) und einem auf diesem optischen Wellenleiter ausgebildeten Gitter (13) zum optischen Ein- oder Auskoppeln von Lichtstrahlen in den bzw. aus dem optischen Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Querschnitt des sich dem Gitter entlang erstreckenden optischen Wellenleiters in seiner Breite so verjüngt ist, daß er in der Ausbreitungsrichtung von darin geführtem Licht schmaler wird, um aus dem Gitter ausgekoppelt zu werden, wobei der breitere Teil des sich verjüngenden Wellenleiterquerschnitts am Ende des Gitters liegt, an dem das geführte Licht eintritt, und der schmalere Teil am anderen Ende des Gitters liegt; und

- die Breitenänderung des sich verjüngenden Wellenleiter- Querschnitts auf solche Weise ausgewählt ist, daß der Kopplungskoeffizient des Gitters allmählich und linear ausgehend vom breiteren zum schmaleren Teil des sich verjüngenden Querschnitts hin ansteigt, wodurch die Intensität des vom Gitter emittierten Lichts eine Normalverteilung zeigt.

2. Gitterkoppler mit einem integrierten optischen Wellenleiter (12) und einem auf diesem optischen Wellenleiter ausgebildeten Gitter (13) zum optischen Ein- oder Auskoppeln von Lichtstrahlen in den bzw. aus dem optischen Wellenleiter, wobei

- der Querschnitt des sich dem Gitter entlang erstreckenden optischen Wellenleiters in seiner Dicke so verjüngt ist, daß er in der Ausbreitungsrichtung von darin geführtem Licht dünner wird, um aus dem Gitter ausgekoppelt zu werden, wobei der dickere Teil des sich verjüngenden Wellenleiterquerschnitts am Ende des Gitters liegt, an dem das geführte Licht eintritt, und der dünnere Teil am anderen Ende des Gitters liegt;

dadurch gekennzeichnet, daß die Dickenänderung des sich ver jüngenden Wellenleiter-Querschnitts auf solche Weise ausgewählt ist, daß der Kopplungkoeffizient des Gitters allmählich und linear ausgehend vom dickeren zum dünneren Teil des sich verjüngenden Querschnitts hin ansteigt, wodurch die Intensität des vom Gitter emittierten Lichts eine Normalverteilung zeigt.

3. Gitterkoppier nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter aus mehreren plattenähnlichen Streuemrichtungen gleicher Länge besteht, die den optischen Wellenleiter rechtwinklig zu seiner Länge schneiden.