HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft einen optischen Y-
Verzweigungsschaltkreis mit einem Y-förmigen Wellenleiter,
und spezieller einen optischen Y-Verzweigungsschaltkreis nit
einem stabilen verbesserten Verzweigungsverhältnis durch
Unterdrücken der Variation in Verzweigungsverhältnissen für
einen Wellenlängenbereich, die bewirkt wird, wenn das
einfallende Licht axial verschoben wird.
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Ein herkömmlicher, in Fig. 1 gezeigter optischer Y-
Verzweigungsschaltkreis schließt einen Eingangswellenleiter 1
und Ausgangswellenleiter 2 und 3 ein, die gleiche
Querschnittskonfigurationen und Brechungsindizes haben. Die
Wellenleiter 1, 2 und 3 treffen sich an einem
Verzweigungsabschnitt 4 und stellen somit einen optischen Y-
förmigen Schaltkreis dar. Wenn für den Eingangswellenleiter 1
nur die Fundamentalmode einer Wellenlänge angeregt wird, wird
die optische Leistung am Verzweigungsabschnitt 4 gleich
geteilt und an die Ausgangswellenleiter 2 und 3 gegeben.
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Wenn in den oben beschriebenen optischen Y-
Verzweigungsschaltkreis für den Eingangswellenleiter 1 nur
die Fundamentalmode angeregt wird, wird ein
Verzweigungsverhältnis von näherungsweise 50:50 erhalten.
Dieses ist kein Problem.
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Wenn andererseits beispielsweise die Achse des einfallenden
Lichtes geringfügig verschoben wird, werden in dem
Eingangswellenleiter die Moden höherer Ordnung und Leckmoden
zusätzlich zur Fundamentalmode angeregt. In diesem Fall
hängen an dem Verzweigungsabschnitt 4 die Feldverteilungen
der Moden höherer Ordnung und Leckmoden von der Wellenlänge
ab, und die optischen Leistungen dieser Moden, die an die
Ausgangswellenleiter 2 und 3 gegeben werden, werden
verändert. Das heißt, das Verzweigungsverhältnis weicht von
50:50 ab. Somit ist das Verzweigungsverhältnis innerhalb
eines bestimmten Bereiches von Wellenlängen variabel. Dieses
ist ein Problem.
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Selbst wenn die Achse des einfallenden Lichtes nicht
verschoben wird, kann sich das folgende Problem ergeben. Wenn
beispielsweise die Dimensionen der Wellenleiter nicht genau
sind oder variieren, werden die Moden höherer Ordnung und
Leckmoden angeregt, was zu ähnlichen Problemen führt, die mit
einer Axialverschiebung des einfallenden Lichtes im
Zusammenhang stehen, wie oben beschrieben wurde.
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Dieses Phänomen tritt insbesondere dann auf, wenn Licht, das
aus einer Einzelmodenfaser austritt, an den
Eingangswellenleiter des optischen Y-
Verzweigungsschaltkreises angelegt wird, wobei seine Achse
von der Achse des Eingangswellenleiters verschoben ist.
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Fig. 2 zeigt ein Beispiel der
Wellenlängendämpfungscharakteristik für Licht, das aus einer
Einzelmodenfaser austritt, die beim Anlegen an den
Eingangswellenleiter 1 des herkömmlichen optischen Y-
Verzweigungsschaltkreises axial verschoben ist, der gemäß
einem rein thermischen, zweistufigen Ionenaustauschprozeß
hergestellt ist. Der rein thermische, zweistufige
Ionenaustauschprozeß wird in dem Papier Nr. 369 offenbart,
das von Sugawara, Hashizume und Seki beim landesweiten
Treffen der Electronic Data Communications Society
Semiconductor and Material Field präsentiert wurde, das 1987
stattfand, in "Two-step purely thermal ion-exchange technique
for single-mode waveguide devices on glasst" [Electron von
Sugawara, Hashizume und Seki.
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Zusammengefaßt schließt der zweistufige, rein thermische
Ionenaustauschprozeß das Bedecken einer Oberfläche eines
Glassubstrats mit einem Maskenfiln ein, der eine
lonenpenetration verhindert, Bilden einer Öffnung in dem
Maskenfiln gemäß einem vorbestimmten Wellenleitermuster, und
Bringen des mit dem Maskenfilm bedeckten Glassubstrats in
Kontakt mit einem Schmelzsalz, das univalente Kationen
enthält, so daß die Ionen in dem Salz mit den Ionen im Glas
ausgetauscht werden und umgekehrt. Als Ergebnis wird ein
Gebiet mit hohem Brechungsindex mit einem im wesentlichen
halbkreisförmigen Querschnitt gebildet, worin der
Brechungsindex nach innen von der Öffnung des Maskenfilms
graduell abnimmt. Danach wird der Maskenfilm entfernt, und
das Glassubstrat wird mit dem Schmelzsalz einschließlich
univalenter Kationen in Kontakt gebracht, die beim Verringern
des Brechungsindexes von Glas wirkungsvoll sind.
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Als Ergebnis des rein thermischen, zweistufigen
Ionenaustauschprozesses bewegt sich die Mitte des maximalen
Brechungsindexes des Gebietes mit hohem Brechungsindex von
der Oberfläche des Substrats zur Rückseite, während das
Gebiet mit hohem Brechungsindex einen im wesentlichen
kreisförmigen Querschnitt bekommt.
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Der so beschriebene, herkömmliche optische Y-
Verzweigungsschaltkreis ist aus linearen Wellenleitern für
eine Einzelmode mit einer größeren Wellenlänge als 1,35 µm
hergestellt, wobei die Achse des einfallenden Lichtes um
+ 2 µm in der Richtung X von der Achse des
Eingangswellenleiters 1 verschoben ist. In diesem Fall, wie
in Fig. 2 gezeigt, ist das Verzweigungsverhältnis konstant
bei Wellenlängen größer als 1,40 µm. Demgemäß ändert sich für
Wellenlängen in dem Bereich von 1,35 µm bis 1,40 µm das
Verzweigungsverhältnis, weil sich in dem Eingangswellenleiter
1 die Leckmoden ausbreiten, und für Wellenlängen kürzer als
1,35 µm ändert sich das Verzweigungsverhältnis, weil sich die
Moden höherer Ordnung und Leckmoden in dem
Eingangswellenleiter 1 ausbreiten.
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Im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Phänomen ist der
herkömmliche optische Y-Verzweigungsschaltkreis aus den
folgenden Gründen nachteilig. Obwohl die Einzelmodenfaser in
Ausrichtung mit dem Eingangswellenleiter eingestellt wird, so
daß das Verzweigungsverhältnis bei einer Wellenlänge 50:50
ist, variiert das Verzweigungsverhältnis für einen Bereich
von Wellenlängen, wenn die Achse des an den
Eingangswellenleiter gegebenen Lichtes geringfügig von der
Achse des Wellenleiters verschoben wird, oder wenn die
Dimensionen der Wellenleiter nicht exakt sind oder variieren.
Das heißt, das Verzweigungsverhältnis des herkömmlichen
optischen Y-Verzweigungsschaltkreises ist nicht sehr stabil.
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In Applied Physics Letters 56(2), 8. Januar 1990, Seiten 120
bis 121, Y. Shani et al., wird ein "Integrated optic
adiabatic polarization splitter on silicon" offenbart. In
diesem bekannten TE/TM-Splitter sind die ausgehenden
Wellenleiter so konstruiert, daß der eine von ihnen den
höchsten Modenindex für die TE-Polarisierung hat, und der
andere für die TM-Polarisierung. Insbesondere umfaßt dieser
bekannte Splitter ein Abstreifgebiet (stripping) zum
Entfernen von möglichen geführten Moden höherer Ordnung, die
an dem Eingang angeregt werden können. Dieses Abstreifgebiet
besteht aus einem Glaswellenleiter mit engem Kern, 5 mm lang,
mit zwei adiabatischen Verjüngungsgebieten, eines an jeder
Seite, 1 mm lang. In diesem Abstreifgebiet wird der
Eingangswellenleiter (7 µm breit) zu einem engen (5 µm breit)
verjüngt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
optischen Y-Verzweigungsschaltkreis vorzusehen, der ein
stabileres Verzweigungsverhältnis bietet, sowie ein Verfahren
zum Herstellen desselben.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch einen optischen Y-
Verzweigungsschaltkreis gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und
durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6. Der Oberbegriff des
Anspruchs 1 basiert auf dem herkömmlichen, auf Seite 1
beschriebenen, optischen Y-Verzweigungsschaltkreis.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Für Situationen, in denen der Eingangswellenleiter einen
Wellenleiterabschnitt mit einem niedrigen effektiven
Brechungsindex hat, ist es erforderlich, die Moden hoher
Ordnung und Leckmoden nach der Ausbreitung durch den
niedrigen effektiven Brechungsindex zu entfernen, die
angeregt werden, weil die Abmessungen der Wellenleiter nicht
exakt sind oder variieren. Aus diesem Grund ist es zu
bevorzugen, den Wellenleiterabschnitt mit niedrigem
effektiven Brechungsindex so nahe wie möglich an dem
Verzweigungsabschnitt zu positionieren.
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Die Moden höherer Ordnung und Leckmoden, die sich in dem
Eingangswellenleiter ausbreiten, werden bei dem
Wellenleiterabschnitt mit niedrigem, effektivem
Brechungsindex in das Substrat geführt, und nur die
Fundamentalmode wird an den Verzweigungsabschnitt gegeben.
Deshalb wird die optische Leistung in dem
Eingangswellenleiter gleichmäßig auf die beiden
Ausgangswellenleiter gegeben. Somit wird in dem optischen Y-
Verzweigungsschaltkreis, anders als beim herkömmlichen
optischen Y-Verzweigungsschaltkreis, das
Verzweigungsverhältnis nur geringfügig geändert, wenn das
einfallende Licht von der Achse des Eingangswellenleiters
verschoben wird, oder wenn die Dimensionen der Wellenleiter
nicht exakt sind oder variieren. Das heißt, das
Verzweigungsverhältnis kann in einem breiten Bereich von
Wellenlängen ungefähr 50:50 sein.
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In Übereinstimmung mit der obigen und anderen Aufgaben sieht
die vorliegende Erfindung einen optischen Y-
Verzweigungsschaltkreis einschließlich eines
Eingangswellenleiters und wenigstens zweier
Ausgangswellenleiter vor, die Einzelmodenwellenleiter oder
Multimodenwellenleiter sind, in welchen lediglich einige
Moden sich ausbreiten, wobei die Wellenleiter in einem
Substrat gebildet sind, worin ein Abschnitt des
Eingangswellenleiters ein Wellenleiter mit niedrigem,
effektivem Brechungsindex ist, wo Moden höherer Ordnung
abgeschnitten werden und der effektive Brechungsindex einer
Fundamentalmode niedriger ist als in den anderen
Wellenleitern, die in dem Substrat gebildet sind.
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Ferner sieht die vorliegende Erfindung in Übereinstimmung mit
der obigen und anderen Aufgaben einen optischen Y-
Verzweigungsschaltkreis vor, der einen
Eingangswellenleiterabschnitt mit einem Wellenleiterabschnitt
mit niedrigem, effektivem Brechungsindex einschließt, und
zwei Verbindungswellenleiter, die sich jeweils von einem
vorderen und einem hinteren Ende des Wellenleiterabschnittes
mit niedrigem, effektivem Brechungsindex erstrecken, und
wenigstens zwei Ausgangswellenleitern, die mit einem der zwei
Verbindungsteile gekoppelt sind.
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Die obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der
folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den
begleitenden Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Aufsicht, die einen herkömmlichen,
optischen Y-Verzweigungsschaltkreis zeigt.
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Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die die Dämpfung
des herkömmlichen, optischen Y-
Verzweigungsschaltkreises der Fig. 1 zeigt, der
gemäß dem rein thermischen, zweistufigen
Ionenaustauschprozeß gebildet ist.
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Fig. 3 ist eine Aufsicht, die einen optischen Y-
Verzweigungsschaltkreis in Übereinstimmung mit
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die die Dämpfung
des optischen Y-Verzweigungsschaltkreises der
Fig. 3 zeigt, der gemäß der Erfindung gemäß einem
rein thermischen, zweistufigen Ionenaustauschprozeß
gebildet ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Fig. 3 ist eine Aufsicht, die ein Beispiel eines optischen Y-
Verzweigungsschaltkreises in Übereinstimmung mit der
Erfindung zeigt. Der optische Y-Verzweigungsschaltkreis
schließt einen Eingangswellenleiter ein, und zwei
Ausgangswellenleiter 2 und 3. Die Wellenleiter 1, 2 und 3,
die sich an einem Verzweigungsabschnitt 4 treffen, um einen
optischen Y-förmigen Schaltkreis zu bilden, sind lineare
Wellenleiter mit einem Brechungsindex N&sub0; und einer Breite W&sub0;.
Der Eingangswellenleiter 1 schließt einen
Wellenleiterabschnitt 6 mit niedrigem, effektivem
Brechungsindex 1 ein, dessen Breite W&sub1; kleiner ist als die
Breite W&sub0;, und Verbindungswellenleiterabschnitte 7 und 8, die
sich jeweils von vorderen und hinteren Enden des
Wellenleiterabschnittes 6 erstrecken, in solcher Weise, daß
sich ihre Breite graduell von W&sub1; nach W&sub0; ändert.
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Fig. 4 zeigt grafisch die Wellenlängendämpfungscharakteristik
für Licht, das aus einer Einzelmodenfaser austritt, das axial
verschoben ist, wenn es an den Eingangswellenleiter 1 des
optischen Y-Verzweigungsschaltkreises 1 angelegt wird. Der
optische Y-Verzweigungsschaltkreis wurde gemäß dem rein
thermischen, zweistufigen Ionenaustauschprozeß hergestellt.
Die Achse des Lichtes ist um + 2 µm in der Richtung X von der
Achse des Eingangswellenleiters 1 verschoben, der derselbe
ist wie im obigen Fall im Zusammenhang mit Fig. 2. Die
Ionenaustauschbedingung war dieselbe wie die im Fall der
Fig. 2.
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Der Eingangswellenleiter 1 und die Ausgangswellenleiter 2 und
3 sind lineare Wellenleiter für eine einzelne Mode mit einer
längeren Wellenlänge als 1,35 µm. Um die Moden höherer
Ordnung und Leckmoden mit Wellenlängen um 1,35 µm herum, die
sich in dem Eingangswellenleiter 1 ausbreiten, bei dem
Wellenleiterabschnitt 6 mit niedrigem, effektivem
Brechungsindex in das Substrat 5 zu führen, hat die
Maskenöffnung in dem Ionenaustauschverhinderungsfilm des
Wellenleiterabschnittes 6 des niedrigen effektiven
Brechungsindexes eine Breite von 0,67 mal die Breite der
Maskenöffnung des Eingangswellenleiters 1 und eine Länge von
2 mm. In dem so konstruierten, optischen Y-
Verzweigungsschaltkreis wird die Variation im
Verzweigungsverhältnis für einen Wellenlängenbereich von
1,31 µm bis 1,40 µm unterdrückt, wenn die Achse des Lichtes
von der Achse des Eingangswellenleiters verschoben wird.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung wird der
Wellenleiterabschnitt mit niedrigem, effektivem
Brechungsindex wie folgt gebildet.
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Ein Teil des Eingangswellenleiters 1 wird in der Breite in
der Richtung X verringert und sein Brechungsindex wird
geringfügig reduziert. Jedoch kann der Wellenleiterabschnitt
mit niedrigem effektiven Brechungsindex auch durch Verringern
seiner Länge in den Richtungen X und Y gebildet werden,
während der Brechungsindex unverändert bleibt. Alternativ
kann der Wellenleiterabschnitt mit niedrigem, effektivem
Brechungsindex erhalten werden durch Verringern des
Brechungsindex, während die Breite des
Wellenleiterabschnittes mit niedrigem, effektivem
Brechungsindex konstant gehalten wird. Somit werden bei
verringertem, effektivem Brechungsindex des
Wellenleiterabschnittes 6 mit niedrigem effektiven
Brechungsindex und bei ungefähr der Abschneidewellenlänge der
Moden höherer Ordnung, die sich in dem Eingangswellenleiter
ausbreiten, die Moden höherer Ordnung und Leckmoden in das
Substrat geführt.
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Wenn das Verhältnis der Brechungsindizes exzessiv hoch ist,
wird die Verteilung steil, so daß es wahrscheinlich ist, daß
Modenumwandlungsdämpfung auftritt. Wenn andererseits das
Verhältnis extrem niedrig ist, kann die Wirkung der Erfindung
nicht ausreichend produziert werden. Deshalb ist zu
bevorzugen, daß der effektive Brechungsindex des
Wellenleiterabschnittes 6 ungefähr 0,50 bis 0,9 mal der
Brechungsindex der eingehenden und ausgehenden Wellenleiter
ist.
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In dem optischen Y-Verzweigungsschaltkreis gemäß der
Erfindung werden die Moden höherer Ordnung und Leckmoden, die
sich in dem Eingangswellenleiter ausbreiten, bei dem
Wellenleiterabschnitt mit niedrigem, effektivem
Brechungsindex in das Substrat geführt, so daß nur die
Fundamentalmode an den Verzweigungsabschnitt angelegt wird.
Somit wird die optische Leistung in dem Eingangswellenleiter
gleichmäßig und stabil an die beiden Ausgangswellenleiter
angelegt.
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Es wurde somit ein neuer optischer Y-Verzweigungsschaltkreis
gezeigt und beschrieben, der sämtliche Aufgaben und gesuchten
Vorteile erfüllt. Viele Änderungen, Modifikationen,
Variationen und andere Verwendungen und Anwendungen der
Erfindung ergeben sich jedoch dem Fachmann nach der
Berücksichtigung der Spezifikation und der begleitenden
Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsbeispiele davon
offenbaren. Alle derartigen Änderungen, Modifikationen,
Variationen und andere Verwendungen und Anwendungen, die den
Umfang der Erfindung nicht verlassen, gelten als von der
Erfindung abgedeckt, die nur durch die folgenden
Patentansprüche beschränkt ist.