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Die Erfindung bezieht sich auf technologische Verfahren zum
Herstellen integrierter optischer Bauteile und betrifft
speziell ein Verfahren zum Einstellen der
Betriebscharakteristiken von integrierten optischen Bauteilen, die
durch ein Netzwerk von Lichtleitern gebildet werden, welche
auf oder in der Oberfläche eines Substrats hergestellt werden
und in denen man Lichtsignale fortschreiten läßt, wobei das
Verfahren durchgeführt wird durch Aufbringen einer weiteren
Schicht aus transparentem Material auf einer
Oberseitenfläche, an der ein oder mehrere optische Wellenleiter eines
fertiggestellten optischen Bauteils freiliegen, und durch
Wählen der Dicke der weiteren Schicht so, daß die
Betriebscharakteristiken eingestellt werden.
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Die Fabrikation integrierter optischer Bauteile erfordert
sehr genaue technologische Verfahren, um sehr restriktiven
Toleranzen in den chemischen, physikalischen und
geometrischen Charakteristiken der hergestellten Bauteile gerecht zu
werden. Tatsächlich können selbst kleine Fehler erhebliche
Änderungen in den geforderten optischen Charakteristiken
bewirken, beispielsweise ein anderes spektrales
Operationsintervall, abweichende Spaltungsverhältnisse in
Strahlspaltern oder in direktionalen Kopplern und dergleichen. Solche
Nachteile können nicht nur von Ungenauigkeiten herrühren, die
bei den aufeinanderfolgenden Schritten des technologischen
Fertigungsprozesses auftreten, sondern auch von Fehlern und
Unzureichendheiten der Konstruktionstechniken, besonders wenn
alle Grenzbedingungen und ihre möglichen Variationen nicht
berücksichtigt wurden.
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Da die die integrierten optischen Bauteile bildenden
Führungsstrukturen teuer und schwer herstellbar sind
(beispielsweise im Fall von Halbleitermaterialien, von speziellen
Kristallen und dergleichen), beeinflußt der
Herstellungsausschuß erheblich die schließlichen Kosten. Es kann somit
zweckmäßig sein, die optischen Charakteristiken des
erhaltenen Bauteils einzustellen, um seine Betriebsweise in die
geforderten Spezifikationen zurückzubringen.
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Sofern das Bauteil aus Material hergestellt wird, das auf ein
elektrisches Feld empfindlich ist, beispielsweise aus
Lithiumniobat (LiNbO&sub3;), oder aus bestimmten
Halbleitermaterialien hergestellt wird, können die optischen Charakteristiken
modifiziert werden durch Anwendung des Verfahrens, das in dem
Artikel "Waveguide Electrooptic Modulators" von Rod C.
Alferness, herausgegeben auf Seite 1121 von IEEE Transactions
on Microwave Theory and Techniques, August 1982, beschrieben
ist.
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Gemäß diesem Verfahren werden geeignete Elektroden am
Bauelement angeordnet, um eine Potentialdifferenz von passendem
Wert anzulegen. Diese Potentialdifferenz erzeugt ein
elektrisches Feld, das eine Änderung der optischen
Charakteristiken des Bauelements in seiner Betriebsphase ermöglicht. Das
Verfahren erfordert weitere Schritte im technologischen
Fabrikationsprozeß, um die Elektroden herzustellen, und
erfordert, wenn das Bauteil einmal fertiggestellt ist, das
dauernde Anlegen einer Spannung von geregeltem Wert, selbst
wenn die Betriebsbedingungen immer gleich sind.
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In Electronics Letters, Band 24, Nr. 25, 1988, Seiten 1584-
1586, ist die Ablagerung einer transparenten Schicht aus
Corning-Glas auf den Lichtleitern eines integrierten
optischen Leistungsteilers beschrieben, die abgelagert wird, um
die Leistungsverteilung durch Wahl einer festgelegten Dicke
der Überzugsschicht einzustellen. Der Brechungsindex der
Überzugsschicht ist höher als der des Lichtleiters, was die
Möglichkeit mit sich bringt, daß die Überzugsschicht die
Lichtstrahlung leitet, die deshalb unter Bewirkung optischer
Verluste in verschiedenen Richtungen fortschreiten könnte,
während die Möglichkeiten der Einstellung eher begrenzt sind.
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Demgegenüber sollen durch das erfindungsgemäße Verfahren der
Einstellung der Betriebscharakteristiken der integrierten
optischen Bauteile viele ursprünglich außer Toleranz
befindliche Bauteile leicht und ohne Annäherung an kritische
Grenzen wieder brauchbar gemacht werden.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin der
Brechungsindex der weiteren Schicht niedriger ist als der der
optischen Wellenleiter und daß man die Ausdehnung der
weiteren Schicht in der Lichtfortschreitungsrichtung so wählt, daß
die Betriebscharakteristiken eingestellt werden, wobei die
Dicke der weiteren Schicht höher zu wählen ist als ein
bestimmter Mindestwert in der Größenordnung einiger
Wellenlängen der Lichtsignale, die in den Wellenleitern
fortschreiten sollen. Hierdurch bietet das Verfahren, das einige
wenige zusätzliche technologische Schritte außer den für die
Fabrikation notwendigen Schritten verwendet, vielfache
Einstellmöglichkeiten ohne das Risiko, daß die Lichtstrahlung in
die weitere Schicht eintritt, es erfordert nicht die
Anwendung eines elektrischen Felds, um die optischen
Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten, und erfordert nur die
Einrichtung der Ablagerungsbedingungen eines transparenten
Materials. Die "Wahl" der Dicke der weiteren Schicht besteht
einfach in der Bestimmung einer Dicke, die größer ist als ein
Minimalwert, wobei die genaue Dicke nicht mehr von Bedeutung
ist.
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Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden
veranschaulicht durch die folgende Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels, das als nicht-beschränkendes Beispiel
vorgestellt wird, und durch die anhängende Zeichnung. Es
zeigen:
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- Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Strahlspalter;
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- Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Strahlspalters.
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Als Beispiel einer Anwendung des durch die Erfindung
geschaffenen Verfahrens wird ein 3dB-Strahlspalter betrachtet, der
auf der Basis des bimodalen Interferenzprinzips arbeitet. Das
eingehende Lichtsignal ist genau hälftig auf die beiden
Ausgangszweige zu verteilen. Führt das entstehende Bauteil
nicht genau die geforderte Teilung durch, so kann man mit dem
vorliegenden Korrekturverfahren eingreifen und die
erforderlichen Änderungen durchführen, um die geforderten
Betriebsspezifikationen zu erfüllen.
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Der in Fig. 1 gezeigte Spalter besteht aus zwei
Einmodus-Eingangsleitern mit Eingangsdurchlässen P1 und P2, die über
eine Y-Verbindung an einen Abschnitt eines Zweimodus-Leiters
der Länge L und der Breite W anschließen. Am Ende des
Zweimodus-Leiterabschnitts befindet sich ein Y-Strahlspalter, der
in zwei Einmodus-Ausgangsleiter mit Ausgangsdurchlässen P3
und P4 übergeht.
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Diese Art von Bauteil kann gleich gut arbeiten, wenn die
Eingangsdurchlässe und die Ausgangsdurchlässe miteinander
vertauscht werden. Außerdem kann entweder ein einziges
Signal, das genau in zwei Teile zu spalten ist, oder können
zwei Signale, nämlich eines für jeden Eingangsdurchlaß, an
den Eingängen eingespeist werden, wenn man sie miteinander
kombinieren und am Ausgang die beiden Hälften der erhaltenen
Kombination abnehmen will. Das letztere Verfahren kann in
einem kohärenten Empfänger angewandt werden, wenn das örtlich
erzeugte Signal mit dem empfangenen Signal kombiniert werden
soll, um seine Detektion zu bewirken.
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Optische Wellenleiter, die das Bauteil bilden, können durch
epitaxiales Wachstum eines ternären oder guaternären
Halbleitermaterials, wie InAlAs, InGaAlAs oder InGaAsP auf einem
Substrat von InP:Fe, das in Fig. 1 mit SU bezeichnet ist,
hergestellt werden. Anschließend kann das geforderte
Leiternetz erhalten werden, indem man das gewachsene Substrat
maskiert und die unbedeckten Teil chemisch ätzt.
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Die Betriebsweise des Strahlspalters ist folgende. Das
Lichtsignal wird in einen Eingangsdurchlaß, beispielsweise
P1, gegeben und bedeckt den Einmodus-Leiter-Abschnitt. Wenn
es am Zweimodus-Leiter-Abschnitt eintrifft, werden über die
Y-Verbindung sowohl der Grundmodus als auch der erste höhere
Modus erregt, die miteinander interferieren. Als Ergebnis der
Interferenz tritt eine periodische räumliche Oszillation der
Lichtstärke auf, mit einer Folge von Maxima und Minima
entlang der Länge L des Zweimodus-Leiters.
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Die Periode dieser Oszillation hängt von der Differenz
zwischen den effektiven Brechungsindizes der beiden Modi ab,
die ihrerseits von den geometrischen Leitercharakteristiken
Breite und Länge, sowie von den Brechungsindizes der
verschiedenen die gesamte Leiterstruktur bildenden Materialien
abhängt: nämlich speziell vom Brechungsindex des Substrats,
der Leiterschicht und des Materials, das gegebenenfalls die
letztere Schicht überdeckt.
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Wenn die Oszillationsphase am Ausgangsende des Zweimodus-
Abschnitts einen passenden Wert annimmt, erhält man im
nachfolgenden Y-Spalter und in den beiden
Einmodus-Ausgangsleitern genau die Hälfte der Leistung, die im Eingangsleiter
zur Verfügung ist, abzüglich eventueller Verluste. Die
Oszillationsphase am Y-Spalter hängt natürlich von der Länge
L des Zweimodus-Abschnitts ab, der deshalb mit eher engen
Toleranzen herzustellen ist.
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Die größten Fehler, die bei der Herstellung eines solchen
Bauteils aufgrund der begrenzten Genauigkeit, die bei den
verschiedenen Schritten des technologischen Prozesses zu
erzielen ist, auftreten können, ergeben sich aus den Werten
der Breite und Dicke der Leiter sowie aus der chemischen
Zusammensetzung des gewachsenen Materials. Die erhaltenen
Toleranzen stellen nicht sicher, daß die Phase der
Oszillation der Lichtstärke am Ausgangsende des
Zweimodus-Leiterabschnitts das Optimum zum Liefern der gewünschten
Strahlspaltung ist.
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Gemäß der Erfindung kann die Ungenauigkeit des
technologischen Prozesses dadurch überwunden werden, daß auf der
Oberfläche, auf der die optischen Leiter hergestellt werden,
nach der Vollendung des normalen Fabrikationsprozesses eine
weitere Schicht aus transparentem Material abgelagert wird.
Diese Deckschicht, die transparent ist, um die
Leitungsverluste nicht zu erhöhen, soll homogen sein, einen zweckmäßigen
Brechungsindex aufweisen und eine beliebige Dicke haben,
solange sie nur dicker ist als ein gegebener Minimalwert, der
allgemein in der Größenordnung einiger Wellenlängen der
verarbeiteten Strahlung ist. Diese Operation bewirkt
Änderungen in den Fortschreitungskonstanten der geführten Moden, die
von den Werten der Brechungsindizes aller den
Wellenleiteraufbau bildenden Materialien abhängen, und zwar speziell von
den Brechungsindizes des Substrats, der eigentlichen
Leiterschicht und aller möglichen oberen und seitlichen
Grenzschichten. Durch Änderung des Brechungsindex der Deckschicht
bei Unverändertlassen des Brechungsindex aller anderen
Schichten kann man innerhalb eines bezeichnenden und
nützlichen Intervalls die effektiven Brechungsindizes des
Zweimodus-Leiters und somit die Periode der durch die
Interferenz bewirkten Oszillation ändern.
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Während der Herstellung des Bauteils kann, wenn man erkennt,
daß die optischen Eigenschaften des fertigen Stücks (oder
eines aus einer Gruppe identischer Exemplare genommenen
Teststücks) nicht den geforderten Charakteristiken
entsprechen, eine Einstellung durchgeführt werden, indem man eine
Deckschicht mit einem Wert des Brechungsindex aufbringt, der
sich dazu eignet, die Leiterstruktur auf den Arbeitspunkt zu
bringen. Die verwendeten Materialien sollen allgemein einen
Brechungsindex aufweisen, der niedriger ist als der des
einzustellenden Lichtleiters, und können aus Harzen,
Polymeren, organischen oder anorganischen Materialien bestehen, die
durch beliebige Verfahren abgelagert werden können.
Beispielsweise ist es im Fall eines Spaltungsfehlers mit einer
Ausgangsleistung von 33 % an einem Zweig und von 67 % am
anderen Zweig notwendig, eine Schicht eines Materials mit
einem Brechungsindex gleich 2 und einer Dicke über 0,2um auf
einem 200um langen Leiter aus InGaAlAs aufzubringen. Analog
muß im Fall eines Spaltungsfehlers mit einer Ausgangsleistung
von 44 % in einem Zweig und 56 % am anderen eine Schicht
eines Materials mit einem Brechungsindex gleich 1,5 und einer
Dicke über 0,2um auf einem Leiter der gleichen
Charakteristiken aufgebracht werden.
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Die Korrektur eines bestimmten Teilungsfehlers kann nicht nur
durch Abdecken des gesamten Lichtleiters mit einer Schicht
eines Materials mit geeignetem Brechungsindex in Funktion von
der Korrekturgesamtheit durchgeführt werden, sondern auch
durch Ändern der Länge des bedeckten
Zweimodus-Leiter-Abschnitts. Auf diese Weise kann das Einstellen
unterschiedlicher Ablagerungsbedingungen und -techniken, die vom für die
Korrektur verwendeten Material abhängen, vermieden werden.
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Somit kann durch Verändern der Länge M des
Zweimodus-Führungsabschnitts, der von dieser Teilschicht bedeckt wird, die
in Fig. 1 mit SA bezeichnete ist, die Phase der
Lichtstärkeoszillation des Lichtsignals am Ende des Zweimodus-Abschnitts
und als Folge das Spaltungsverhältnis an den
Ausgangsdurchlässen P3 und P4 des Bauteils geändert werden. Die erhaltene
Veränderung erhöht sich mit dem Wert des Brechungsindex des
abgelagerten Materials.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Zwischenbereichs des
Bauteils, wobei eine einfache Folge von den Leiteraufbau
bildenden Schichten gezeigt ist, nämlich des Substrats SU,
des Zweimodus-Leiters und der Korrekturschicht SA.
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Durch Bedecken des Zweimodus-Leiters, der 200um lang ist,
über eine Länge von 100um mit einem Material eines
Brechungsindex von 1,5 kann ein Leistungsspaltungsfehler von 47 % am
einen Zweig und 53 % am anderen Zweig korrigiert werden.
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Das obige Verfahren kann zum Einstellen der optischen
Charakteristiken anderer Bauteile verwendet werden, beispielsweise
von direktionalen Kopplern oder von DFB-Lasern (Distributed
Feedback Bragg), die mit den oben genannten Materialien oder
mit anderen Materialien, die in der Technik der integrierten
Optiken verwendet werden, wie Glas, LiNbO&sub3;,SiO&sub2;, Polymere und
dergleichen, hergestellt werden.