DE69733670T2

DE69733670T2 - Optischer demultiplexer mit einem beugungsgitter

Info

Publication number: DE69733670T2
Application number: DE69733670T
Authority: DE
Inventors: Graham Michael Woodbridge BURT; Sinton Robert Elmsett GRANT
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: CA2248042C; WO1997036198A1; EP0970397A1; AU2038897A; US6052213A; CA2248042A1; EP0970397B1; DE69733670D1; JP2000508083A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Beugungsgitter, das beispielsweise als Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer in einem optischen Telekommunikationssystem eingesetzt werden kann.
Hintergrund der Erfindung
Optische Volumenbeugungsgitter sind allgemein bekannt, und es wurde bereits vorgeschlagen, derartige Gitter als passive Multiplexer/Demultiplexer in optischen Netzen mit Wellenlängen-Multiplexen (Wavelength Division Multiplexing, WDM) einzusetzen. Der Einsatz von optischen Volumenkomponenten führt jedoch leicht zu hohen Verpackungs- und Wartungskosten. Obgleich dementsprechend derartige Komponenten einsetzbar sind, wenn sich das Wellenlängen-Multiplexen/Demultiplexen auf einige zentrale Schalter beschränkt, sind optische Volumenkomponenten nicht anwendbar für das größere Einsatzgebiet in Netzen. Gegenwärtig besteht Interesse an WDM-Zentralen und ihrem Einsatz in lokalen Netzen (Local Access Network) im Zusammenhang mit optischem Zeitmultiplexen (Optical Time Division Multiplexing, OTDM) bei großräumigeren Verbindungen in dem Netz. Damit bleibt der Wunsch nach einem Gitter bestehen, das ausreichend robust ist und mit geringem Aufwand in lokalen Kreisen innerhalb eines Netzes eingesetzt werden kann und möglicherweise sogar in jedem Teilnehmer-Terminal vorgesehen werden kann.
In der Veröffentlichung von Poguntke und Soole, "Design of A Multistripe Array Grating Integrated Cavity (MAGIC) Laser", Journal of Light Wave Technology, Band 11, Nr. 12, Dezember 1993, wird ein Gitter in einer planaren Wellenleiterstruktur auf InP-Basis beschrieben. Das Gitter wird hergestellt unter Verwendung von Fotolithografie und Trockenätzen, beispielsweise mit chemisch unterstütztem Ionenstrahlätzen, wobei eine stufenförmige Wand gebildet wird, die sich senkrecht durch den planaren Wellenleiter erstreckt. Das Gitter wird dann metallisiert, um seine Reflektivität zu verbessern. Diese Struktur bietet jedoch nur eine begrenzte Winkeldispersion, und damit ist es nicht möglich, viele Wellenlängenkanäle unterzubringen, ohne dass die Größe unzumutbar zunimmt.
In EP0365125 A2 ist ein eindimensionales Reflektorbeugungsgitter auf einem plattenförmigen Wellenleiter beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Demultiplexer nach Anspruch 1 geschaffen.
Der Begriff "photonisches kristallines Material", wie er hier verwendet wird, bezeichnet ein Material, das mit einer periodischen Änderung des Brechungsindexes hergestellt wurde, wobei die Periodenlänge in der Ordnung der Größe der optischen Wellenlänge liegt. Wie weiter unten erläutert, wird solches Material manchmal als "photonisches Bandlückenmaterial" (Photonic Band Gap Material) bezeichnet.
Bei der vorliegenden Erfindung wird photonisches kristallines Material eingesetzt, um ein Gitter herzustellen, das geeignet ist für die Integration mit anderen optischen Komponenten und das eine hohe Dispersion und Effizienz aufweist. Photonische Kristalle bilden eine Klasse von Materialien, die mit einer periodischen dielektrischen Struktur hergestellt werden. Das Verhalten von Photonen innerhalb einer solchen Struktur lässt sich beschreiben analog zu dem von Elektronen in einem Halbleiter. Insbesondere hat man herausgefunden, dass es photonische Bandlücken (Photonic Band Gaps, PBG) analog zu den elektronischen Bandlücken in Halbleiterkristallen gibt. Photonen, deren Wellenlänge in dem Bandlückenbereich liegt, können sich nicht ausbreiten. Die meisten Untersuchungen bei photonischen Kristallen konzentrieren sich auf die Herstellung derartiger photonischer Bandlücken. Jedoch ließ sich auf Grund einer neuen Analyse von dem Erfinder zeigen, dass photonische Kristalle andere Eigenschaften aufweisen, die genutzt werden können, um ein hocheffizientes Gitter herzustellen. Es hat sich herausgestellt, dass dann, wenn die Konstante des photonischen Kristalls derart gewählt ist, dass der gebeugte Strahl erster Ordnung streifend aus dem Kristall austritt, sich der Beugungswinkel stark mit der Wellenlänge ändert, während der Beugungsstrahl eine relativ hohe Ausgangsleistung aufweist, möglicherweise 20% oder mehr der eingekoppelten optischen Leistung.
Vorzugsweise ist das photonische kristalline Material in diesem Bereich im Allgemeinen planar. Das photonische kristalline Material kann eine allgemein rechteckige Matrix aus Streuzentren in einem dielektrischen Material umfassen, so dass dann die Matrix vorzugsweise eine Minimalmatrix ist mit nicht mehr als zehn Zeilen Tiefe und vorzugsweise nur ein, zwei oder drei Zeilen Tiefe. Die Streuzentren können Löcher umfassen, die in dem dielektrischen Substrat erzeugt werden.
Während sich bisherige Untersuchungen an photonischen Bandlückenmaterialien auf die Herstellung aufwendiger dreidimensionaler Arrays konzentrierte, fand der Erfinder heraus, dass ein effektives Beugungsgitter aus einer Matrix hergestellt werden kann, die nur einige Zeilen tief ist. Wenn es zwei oder mehr Zeilen gibt, so ist der Abstand zwischen den Zeilen vorzugsweise derart, dass bei einer vorgegebenen Wellenlänge im Betrieb der streifend austretende Strahl, der von einer Zeile gestreut wird, konstruktiv interferiert mit dem streifend austretenden Strahl, der von der oder jeder anderen Zeile gestreut wird.
Wenn der Abstand zwischen den Zeilen derart gewählt wird, dass es bei einer bevorzugten Streurichtung zu konstruktiver Interferenz kommt, dann arbeitet das Gitter als hocheffizientes Filter für eine feste Frequenz und ist als solches besonders gut einsetzbar bei WDM-Systemen.
Die Einrichtung zum Koppeln von Licht in und aus dem photonischen kristallinen Material umfasst Wellenleiter auf einem gemeinsamen Substrat mit dem photonischen kristallinen Material. Die Wellenleiter können planare Strukturen umfassen und können so aufgebaut sein, dass Licht in Richtung senkrecht zu der planaren Oberfläche begrenzt wird. Besonders bevorzugt ist der Wellenleiter ein Dachkantenwellenleiter, der außerdem so aufgebaut ist, dass der Strahl in der Ebene parallel zu der planaren Oberfläche eingegrenzt wird. Das Gitter kann in Transmission betrieben werden, wobei sich der Wellenleiter für den Eingangsstrahl auf der einen Seite des photonischen kristallinen Materials und der Wellenleiter für den Ausgangsstrahl auf der anderen Seite des photonischen kristallinen Materials befindet.
Alternativ kann das Gitter im Reflexionsbetrieb betrieben werden, wobei in diesem Fall die Einrichtung für das Koppeln des Eingangsstrahls und die Einrichtung für das Koppeln des streifend austretenden Ausgangsstrahls auf derselben Seite des photonischen kristallinen Materials angeordnet sind.
Vorzugsweise ist das dielektrische Material ein III-V-Material und insbesondere Indiumphosphid.
Der photonische Kristall kann eine regelmäßige Matrix aus zwei dielektrischen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices umfassen. Diese Struktur kann als eine Matrix aus Löchern in einem ersten dielektrischen Material hergestellt werden, wobei die Löcher mit einem zweiten dielektrischen Material gefüllt werden. Wenn das Substrat z.B. eine quaternäre Wellenleiterschicht umfasst, können die Löcher alternativ mit demselben Material gefüllt werden, um die Basis des Substrats zu bilden. Eine alternative Struktur kann Pfeiler aus einem ersten dielektrischen Material umfassen, die von Luft oder einem zweiten dielektrischen Material umgeben werden. Eines dieser dielektrischen Materialien, aus denen der photonische Kristall besteht, kann einen Brechungsindex haben, der in Abhängigkeit von einem angelegten Steuersignal variabel ist. Dies kann ein elektrooptisches Material sein, das auf ein angelegtes elektrisches Feld reagiert, oder ein nicht-lineares optisches Material, das auf ein angelegtes optisches Steuersignal reagiert.
Die Verwendung von Materialien mit einem variablen Brechungsindex in dem photonischen Kristall macht es möglich, das Gitter als abstimmbares Filter einzusetzen.
Beschreibung der Zeichnungen
Einzelheiten der Vorrichtungen und der Verfahren für die Herstellung werden im Folgenden lediglich als Beispiel als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
1a und 1b sind Ansichten in Draufsicht und im Querschnitt eines Gitters.
2 zeigt schematisch den photonischen Kristall des Gitters nach 1.
3a und 3b zeigen Reflexions- und Transmissionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz bei dem photonischen Kristall nach 2.
4a und 4b zeigen schematisch alternative photonische Kristall-Mikrostrukturen.
5 ist eine Querschnittsansicht der Struktur des planaren Substrats des Gitters nach 1.
6 zeigt schematisch einen zweiten, alternativen photonischen Kristall.
7a und 7b sind Ansichten im Querschnitt und in Draufsicht einen dritten, alternativen photonischen Kristall.
8a und 8b zeigen Reflexions- und Transmissionskoeffizienten für weitere Beispiele von Gittern als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9a und 9b sind Ansichten in Draufsicht und im Querschnitt eines WDM-Demultiplexers.
10 zeigt eine Draufsicht eines WDM-Demultiplexers lediglich zur Erläuterung.
11 zeigt die Abhängigkeit von der Polarisation der Reflexionskoeffizienten eines Gitters als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt das Verhältnis der 3a und 3b zeigen Reflexionskoeffizienten der unterschiedlichen Polarisationszustände in dem Beispiel nach 11.
Beschreibung von Beispielen
Ein Gitter umfasst einen Bereich mit einem photonischen kristallinen Material 1 in Form eines mehrschichtigen planaren Substrats 2. Ein optisches System mit einer ersten Linse 31, die eine Brennweite von z.B. 10 cm aufweist, und einer zweiten Linse 32, die eine Brennweite von z.B. 1 cm aufweist, kollimiert einen optischen Eingangsstrahl. Die Linsen 31, 32 haben einen Abstand y, der gleich der Summe der beiden Brennweiten ist. Die Linse 32 hat einen Abstand z von der Facette des planaren Substrats 2, der in diesem Beispiel 1 cm beträgt. Das optische System koppelt Licht in eine Wellenleiterschicht 4, in der es sich ausbreitet, so dass es senkrecht auf den photonischen Kristall 1 auftrifft. Ein streifend austretender Beugungsstrahl durchläuft den photonischen Kristall 1, breitet sich in der Wellenleiterschicht 4 aus und tritt auf einer Seite der Facette des planaren Substrats aus. Der austretende Strahl divergiert in der Richtung senkrecht zu dem planaren Substrat. Optional kann eine zylindrische Linse eingesetzt werden, um den austretenden Strahl zu kollimieren.
2 zeigt schematisch die Konfiguration des photonischen Kristalls 1. Zur Erläuterung umfasst er eine lineare Matrix mit Löchern in einem Substrat, dessen dielektrische Konstante 13 ist, bei einer Gitterkonstante von 0,57 μm. Wie man dem Diagramm entnehmen kann, wird ein senkrecht einfallender Eingangsstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 1550 nm von dem photonischen Kristall gebeugt, so dass sich streifend austretende transmittierte und reflektierte Strahlen ergeben. Außerdem tritt ein Teil des Strahls ohne Beugung gerade durch den photonischen Kristall hindurch, und ein Teil wird reflektiert. Die Breite des Gitters w beträgt in diesem Beispiel 800 Mikrometer, der Abstand zwischen der Eingangsfaser und dem Gitter ist 4 mm, und der Abstand zwischen dem Gitter und dem Ausgang ist 4 mm. Zur besseren Darstellung sind nur einige wenige Löcher in der Figur gezeigt. Wie weiter unten erläutert werden wird, kann in der Praxis die Matrix eine Zeile mit 1000 oder mehr Löchern aufweisen.
3a zeigt die Reflexions- und Transmissionskoeffizienten für senkrecht einfallende Strahlen in Abhängigkeit von der Frequenz, die auf 1,55 μm normalisiert ist. In der Darstellung a ist der Transmissionskoeffizient gezeigt, in b ist der Reflexionskoeffizient gezeigt, und in c und d sind die Koeffizienten für transmittierte bzw. reflektierte Beugungsstrahlen gezeigt. Der Beginn des streifenden Austritts ist in den Darstellungen c und d bei einer normalisierten Frequenz von etwa 0,8 dargestellt und markiert durch die gestrichelte Linie. Wie unten theoretisch abgeleitet werden wird, stellt sich heraus, dass der unter einem Winkel von wenigen Grad streifend austretende Strahl, beispielsweise 3 bis 5 Grad, eine optische Leistung in praktisch nutzbarer Höhe aufweist und unter einem Winkel austritt, der sich stark mit der Wellenlänge ändert.
Alternativ zum Einsatz für senkrecht einfallende Strahlen kann das Gitter auch eingesetzt werden bei Strahlen, die unter einem Winkel von z.B. 30 Grad auftreffen. 3b zeigt die Reflexions- und Transmissionskoeffizienten für diesen Fall. In diesem Fall hat der streifend austretende Ausgangsstrahl einer gegebenen Wellenlänge verschiedene Beugungswinkel auf beiden Seiten der Senkrechten zur Ebene des photonischen Kristalls.
Die Gitterkonstante und Lochgröße der Matrix sowie der Einfallswinkel können sich je nach Brechungsindex des Substratmaterials und dem gewünschten Wellenlängenbereich für den Einsatz des Gitters ändern. In 8a und 8b ist das Verhalten von Gittern gezeigt, die unterschiedliche Gitterkonstanten und Einfallswinkel aufweisen. 8a betrifft ein Gitter mit einer Gitterkonstante von 0,47 Mikrometer, das bei senkrechtem Einfall eingesetzt wird. 8b bezieht sich auf ein Gitter mit einer Gitterkonstante von 0,313 Mikrometer und einem Einfallswinkel des Eingangsstrahls von 30 Grad gegenüber der Normalen. Der Lochradius beträgt in beiden Fällen 0,17 Mikrometer in 8a und 0,1175 Mikrometer in 8b. In beiden Fällen ist die dielektrische Konstante des Substrats 10,9, was einen Brechungsindex von 3,3 zur Folge hat.
Die Löcher müssen nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt haben und können beispielsweise einen allgemein quadratischen Querschnitt aufweisen.
In den vorliegenden Beispielen wird die Matrix mit Löchern, aus der der photonische Kristall besteht, durch reaktives Ionenstrahlätzen (Reactive Ion-Beam Etching, RIE) in einem planaren InP-Substrat hergestellt. 5 zeigt im Einzelnen die Struktur des planaren Substrats.
Der Prozess der Herstellung kann zu zwei Stufen zusammengefasst werden: Eine Epitaxie- oder Abscheidungsstufe und eine nachfolgende Stufe, bei der die Mikrostruktur geätzt wird. In der ersten Stufe wird eine Wellenleiterschicht auf einem InP-Halbleitermaterial mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxietechnik (Metal-Organic Vapour Phase Epitaxy, MOVPE) als Folge von epitaktischen Abscheidungen hergestellt. Diese erste Stufe umfasst die folgenden Schritte:

1. Eine Pufferschicht aus InP wird mit einer Dicke von 1000 nm abgeschieden.
2. Eine Wellenleiterschicht aus InGaAsP wird mit einer Dicke von 300 nm abgeschieden, und die Zusammensetzung von InGaAsP ist derart, dass sich eine Bandlückenwellenlänge von etwa 1,3 Mikrometer ergibt.
3. Eine Abdeckschicht aus InP wird mit einer Dicke von 300 nm abgeschieden.

Alle Abscheidungsmaterialien sind nominell rein, d. h. undotiert.
Danach werden in der zweiten Stufe Mikrostrukturen in den Wafer geätzt. Dies erfolgt durch reaktives Ionenätzen. Es wird eine direkte Schreibtechnik angewendet, um die Maske direkt auf dem Werkstück zu erzeugen. Die zweite Stufe umfasst die folgenden Schritte:

1. Das Werkstück wird durch in Säure gereinigt, und dann wird eine 100 nm dicke Schicht aus Siliziumnitrid Si₃N₄ abgeschieden.
2. Eine Schicht aus Fotoresist, bekannt unter "E-Beam Resist", die auf Elektronenstrahlen reagiert, wird in Schleuderbewegung auf das Werkstück aufgebracht, so dass sich eine Dicke von etwa 500 nm ergibt. In diesem Fall wird der Resist ZEP520 von Nippon Zeon verwendet.
3. Der Resist wird in dem gewünschten Mikrostrukturmuster Elektronenstrahl-Lithografie ausgesetzt.
4. Der Resist wird dann entwickelt. Dabei werden die belichteten Bereiche aufgelöst. Der nicht belichtete ZEP520 bleibt und bildet eine Maske, die in den folgenden Stufen verwendet wird.
5. Durch reaktives Ionenätzen mit CF₄ wird die Siliziumnitridschicht geätzt. Dadurch wird das Muster der Maske aus der Resistschicht in die Siliziumnitridschicht gebracht.
6. Das Werkstück wird in zwei Stufen gereinigt. Der nicht belichtete Resist wird entfernt, und dann wird das Polymer entfernt, das sich auf Grund des RIE-Prozesses gebildet hat.
7. Der RIE-Hauptprozess wird ausgeführt. Die gemusterte Siliziumnitridschicht wirkt als Maske. Die Ätzmischung besteht aus Methan/Hydrogen/Oxygen. Diese Mischung ätzt insbesondere das InP/InGaAsP-Material über der Siliziumnitridmaske.
8. Das Polymer, das sich auf Grund des RIE-Prozesses im Schritt 7 gebildet hat, wird entfernt.
9. Das Werkstück wird von etwa 0,5 mm Dicke auf etwa 150 Mikrometer Dicke reduziert. Das ermöglicht ein einfacheres Spalten der einzelnen Werkstücke. Die einzelnen Werkstücke sind nominell 1 × 1 mm² groß. Die Gittermikrostruktur unterteilt die Werkstücke parallel zu den Seiten.

Es versteht sich, dass der obige Prozess nur ein Beispiel ist und dass viele andere Prozessarten denkbar sind. Beispielsweise kann RIE auch mit Methan/Hydrogen durchgeführt werden. Dem Ätzen kann sich ein erneutes Aufwachsen anschließen, um die Löcher mit einem zweiten dielektrischen Material mit einem anderen Brechungsindex als das Substrat zu füllen. 6 zeigt schematisch einen photoni schen Kristallbereich, der auf diese Art erzeugt wurde. In diesem Beispiel werden die Löcher in dem Wellenleiter mit einem III-V-Halbleitermaterial gefüllt, wie zum Beispiel InP oder einem ternären Material, z.B. GaInAs. Das Material, das verwendet wird, um die Löcher zu füllen, kann einen Brechungsindex aufweisen, der sich in Abhängigkeit von einem angelegten Steuersignal ändert. Beispielsweise kann es ein Flüssigkristallmaterial enthalten. Der Brechungsindex des Füllmaterials ändert sich dann in Abhängigkeit von einer Steuerspannung, die an ein Gate angelegt wird, das über dem photonischen Kristall liegt, so dass das Gitter auf eine gewünschte Wellenlänge abgestimmt werden kann. Alternativ kann als Füllmaterial z.B. ein Halbleiter gewählt werden, der eine starke optische Nichtlinearität aufweist. In diesem Fall wird sein Brechungsindex in Abhängigkeit von einem angelegten optischen Steuersignal gesteuert.
7a und 7b zeigen eine weitere alternative Struktur für den photonischen Kristall. In diesem Beispiel sind die Streuzentren Säulen 71 der Substratstruktur, die von Luft umgeben sind. Diese Struktur kann durch einen RIE-Prozess hergestellt werden, wie er oben bei dem ersten Beispiel beschrieben wurde. Der Prozess wird insofern modifiziert, als vor dem Ätzschritt der Siliziumnitrid-Fotoresist überall belichtet wird außer in den Bereichen, in denen Säulen hergestellt werden sollen. Dann wird in dem Ätzschritt in dem Bereich 72 um die Säulen herum das Substrat bis hinunter zu einer Tiefe von z.B. 0,7 Mikrometer entfernt, so dass die Säulen in einem schmalen Trog freistehend in dem Substrat zurückblieben. Obgleich in diesem Beispiel die Säulen und in früheren Beispielen die Löcher einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, beachte man, dass dies für die Funktionsweise des Gitters nicht wichtig ist und dass Streuzentren mit anderen, weniger gleichförmigen Formen eingesetzt werden können. Beispielsweise kann der Querschnitt allgemein ellipsenförmig sein und kann sich bezüglich Größe in den unterschiedlichen Tiefen des Loches oder der Säule verändern. Dadurch wird es möglich, Ätzprozesse einzusetzen, die nicht zu perfekt geformten Konturen führen.
4a zeigt schematisch ein Beispiel mit zwei Zeilen mit Löchern, wobei der Abstand zwischen den Zeilen so gewählt ist, dass die Pfaddifferenz δ ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist, womit sich eine konstruktive Interferenz der gebeugten Strahlen bei der Betriebswellenlänge ergibt. Diese Einschränkung kann algebraisch dargestellt werden als λ = b(1 – sin(90 – φ)), wobei b der Abstand zwischen den Zeilen ist und φ der Beugungswinkel ist. Es lässt sich zeigen, dass der Einsatz von zwei Zeilen mehr zu einer weiteren bevorzugten Richtung bei der Beugung führt. Während bei der einfachen, eindimensionalen Matrix die Beugung entweder in Transmission oder Reflexion erfolgt, verstärkt die modifizierte zweidimensionale Struktur entweder die reflektierte oder die transmittierte Ordnung, je nach Abstand b. Eine Struktur, die auf diese Art gebildet wurde, arbeitet als Filter für eine feste Wellenlänge.
Für die eindimensionale Struktur besteht außerdem eine Beschränkung in Bezug auf die Konstante der Matrix, die Wellenlänge und den Beugungswinkel gemäß λ = acosφ. Wenn man eine zweidimensionale Struktur einsetzt, so dass die Einschränkung der ersten Gleichung oben ebenso gilt, gibt es nur eine Lösung für eine einzige Wellenlänge. Die zweidimensionale Struktur kann daher so konstruiert werden, dass sie als Filter für eine bestimmte feste Wellenlänge dient. Der Einsatz von mehreren Zeilen mit Streuzentren wird besonders bevorzugt, wenn die Streuzentren eine relativ schwache Auswirkung haben. Dies ist der Fall, wenn beispielsweise die Löcher, die in dem Substrat geätzt sind, relativ flach sind und kurz vor der Wellenleiterschicht enden, oder wenn sie mit einem zweiten dielektrischen Material mit einem Brechungsindex gefüllt sind, der ähnlich groß ist wie der des Substrats. In diesem Fall kann es notwendig werden, eine größere Matrix als die minimale Matrix von Löchern vorzusehen, um einen Beugungsstrahl mit ausreichend Leistung zu erzeugen, und die Matrix kann beispielsweise 10 oder 15 Zeilen tief sein.
4b zeigt ein Beispiel für eine Gitterstruktur mit einer Tiefe von 6 Zeilen. Diese zweidimensionale Gitterstruktur hat zwei Hauptgruppen von parallelen Ebenen, eine vertikal und die andere in etwa horizontal. Die Gitterstruktur ist so ausgelegt, dass Beugung ungleich nullter Ordnung durch eine Gruppe von Ebenen erzeug wird und Beugung nullter Ordnung durch die andere Gruppe erzeugt wird. Bedingung ist, dass beide Gruppen von Ebenen zur Beugung in derselben Richtung beitragen. Um Beugung nullter Ordnung zu erhalten (spiegelartige Reflexion), sollten die Ebenen, die etwa horizontal verlaufen, gewinkelt sein, so dass ihre Normale den Winkel zwischen Eingangsstrahl und Ausgangsstrahl teilt. Der Abstand dieser Ebenen ist nicht kritisch, aber es kann von Vorteil sein, sie so zu beabstanden, dass die Mikrostrukturen entlang der Ebenen einen Abstand aufweisen, der ausreichend klein ist, so dass sich nur Beugung nullter Ordnung ergibt. Die Ebenen, die in etwa horizontal verlaufen, haben im Allgemeinen einen Abstand, der kleiner ist als der Abstand der Mikrostrukturen in dem ursprünglich betrachteten 1-D-Array. Die folgende Bedingung gilt für Beugung erster Ordnung: sinθ + sinφ = nλ/d,wobei n die Ordnung ist, λ die Wellenlänge ist, d der Abstand der Ebenen oder Strukturen ist und θ und φ die Einfallswinkel des ankommenden und austretenden Strahls. Eine Struktur, die auf diese Art aufgebaut ist, ist nicht auf den Betrieb mit einer einzigen Wellenlänge eingeschränkt, sondern verstärkt und beugt verschiedene Wellenlängen unter verschiedenen Winkeln. Beispielsweise eignet sie sich daher für die Verwendung als Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer (WDM).
Zur Erläuterung wird oben der photonische Kristall als mit schwachen Streuzentren versehen beschrieben, so dass sich Bragg-Beugung ergibt. In der Realität führen die Streuzentren jedoch im Allgemeinen zu starker Streuung. Der Erfinder hat eine eindimensionale Matrix mit starken Streuzentren neu analysiert, was im Folgenden wiedergegeben wird.
Die Ableitung der Dispersionsgleichung für einen planaren photonischen Kristall wird als erstes beschrieben. Es seien k_i und k_d die Wellenvektoren für einfallende und gebeugte Wellen und g der reziproke Gittervektor der periodischen Änderung des Brechungsindexes, was im Wesentlichen dem Aspekt des Gitters entspricht. Da die elektromagnetischen Felder, die die einfallenden und gebeugten Wellen bilden, zu derselben irreduziblen Darstellung der Gruppe von Translationssymmetrieoperationen des Gitters gehören müssen, gilt kdĝ = (ki + g)ĝ (1)wobei ĝ der Einheitsvektor entlang g ist, d. h. parallel zu dem Gitter verläuft. Wenn man mit θ_i und θ_d die Winkel des einfallenden und des gebeugten Strahls gegenüber der Normalen des Gitters und mit
die Größe des Wellenvektors des Lichts (λ ist die Wellenlänge des Lichts in dem Medium auf beiden Seiten des Gitters) bezeichnet, kann die Gleichung (1) geschrieben werden als:
für die Beugung erster Ordnung, wobei a die Gitterkonstante des Gitters ist. Bezüglich λ kann die Gleichung (2) beschrieben werden als: λ = a(sinθd – sinθi) (3).
Durch Differenzieren nach λ erhält man:
Bei streifendem Einfall gilt θ_d = π/2, und die Ableitung ist unendlich. Das Gitter erzeugt daher unter diesen Bedingungen sehr große Änderungsraten bezüglich des Austrittswinkels θ_d in Abhängigkeit von der Wellenlänge, wenn diese Winkel klein sind. Dieses ist ideal für WDM-Demultiplexen.
Die Berechnung von Feldstärken der reflektierten, transmittierten und gebeugten Strahlen wird im Folgenden beschrieben. Ein Gitter ist nur sinnvoll bei streifendem Austritt, wenn die optische Leistung, die durch das Gitter gebeugt wird, ausreichend groß ist. Ein Maß hierfür ist das Quadrat des elektrischen Feldes in dem gebeugten Strahl im Vergleich zu dem in dem einfallenden Strahl. Derartige Berechnungen wurden für eine einzige Linie aus Luftzylindern in Indiumphosphid berechnet, wobei das elektrische Feld entlang der Achsen der Zylinder polarisiert war, was als z-Achse in einem kartesischen Koordinatensystem bezeichnet wird. Die Wellengleichung für das elektrische Feld E(x, y), die sich aus den Maxwell-Gleichungen für die Ausbreitung in der (x, y)-Ebene ergibt, ist bei einer Winkelfrequenz ω:
wobei ε(r) die dielektrische Konstante ist, die von r = (x, y) abhängt. Für Wellen, die sich mit einem Wellenvektor k in einem Bereich mit periodischer Änderung der dielektrischen Konstante ausbreiten, kann das elektrische Feld geschrieben werden als:
wobei G der reziproke Gittervektor ist, und die Gleichung für die Koeffizienten der ebenen Welle Ẽ_G ist:
wobei
die Entwicklung des Inversen von ε(r) nach ebenen Wellen ist. Die Hilfsgleichung für die Koeffizienten der ebenen Welle der y-Komponente des magnetischen Feldes ist:
Die x-Achse wird senkrecht zu der Ebene des Gitters gewählt. Um die Wellengleichung (1) innerhalb des Gitters zu lösen, muss man die möglichen Komponenten k_x des Wellenvektors für die Ausbreitung bei fester y-Komponente k_y und fester Frequenz w finden. Die Gleichungen (4) und (5) können umgewandelt werden in ein Eigenwertproblem für k_x:
Für die Lösung zu diesem Eigenwertproblem kann man die allgemeine Lösung der Wellengleichung innerhalb des Gitters durch lineare Superposition finden und die Koeffizienten durch Ausnutzen der Kontinuität des elektrischen Feldes und seiner Ableitungen an den Grenzen des Gitters bestimmen. Die resultierende Gruppe von linearen Gleichungen, die sich ergeben, lautet in Matrixform:
wobei
gilt und die ganzen Zahlen ng1 und ng2 definiert sind durch G = ng1b₁ + ng2b₂. g ist die y-Komponente von G.
und K (±) / n, die z-Komponente der Wellenvektoren der ebenen Wellenlösung außerhalb des Gitters sind definiert durch
wobei λ = 2πc/ω die Vakuumwellenlänge ist.
k = (k_y, K (±) / n) gilt, wobei ± im Exponenten das Vorzeichen des Imaginärteils bezeichnet oder, falls letzterer null ist, das Vorzeichen des Realteils bezeichnet. Es gilt k_y = k _y(2π/a₂), und ε_a ist die dielektrische Konstante des Materials auf beiden Seiten des Gitters.
a₁ = (a_1x, a_1y) sowie a₂ = (0, a₂) sind die Gittervektoren des photonischen Kristalls, aus dem das Gitter hergestellt ist. b1 und b2 sind die reziproken Gittervektoren, definiert durch a_i × b_j = 2πδ_ij.
Die Gleichung (7) wird explizit für den Fall ausgeschrieben, bei dem das Gitter nur eine Periode photonischen Kristall in der Dicke aufweist und der Ursprung der Koordinaten in der Mitte der Gitterschicht angeordnet wird.
Die oben abgeleiteten Gleichungen werden nun angewendet, um die Effektivität von einem Beispiel eines WDM-Gitters als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen. Bei senkrechtem Einfall bezeichnet
den Winkel des gebeugten Strahls gegenüber der Normalen auf dem Gitter. Wenn λ die Wellenlänge des Liches in dem Medium ist auf beiden Seiten des Gitters) und a die Gitterkonstante des Gitters, dann gilt
bei fast streifendem Austritt ist
nahezu 90°, und man kann der Einfachheit halber schreiben
wobei φ klein ist. Unter Verwendung von
kann man ohne weiteres den Winkel φ des Austritts in Anhängigkeit von der Wellenlänge λ schreiben, d. h.
wobei λ₀ = nλ die Vakuumwellenlänge ist (n ist der Brechungsindex des Mediums auf beiden Seiten des Gitters) und λ_e = na die Vakuumwellenlänge bei streifendem Austritt ist. Wenn man dieses Ergebnis bei einem Brechungsindex von n = 3 verwendet, findet man, dass man einen streifenden Austritt bei 1,560 Mikrometer hat und die Strahlen bei den Wellenlängen 1,557 und 1,554 Mikrometer bei Winkeln φ von etwa 3,5° oder 5,0° austreten. Somit werden Kanäle mit einem Abstand von 1 Nanometer der Wellenlänge (im Vakuum) durch Winkel von etwa 0,5° getrennt. Bei etwa 1200 Mikrometer würde dies bei dem Gitter zu einer Trennung von 10 Mikro meter zwischen den Strahlen führen, was bei weitem ausreicht, um sie mit einem Dachkantenwellenleiter zu separieren, was weiter unten mit Bezug auf 9 beschrieben wird. Um Übersprechen zwischen den gedemultiplexten Kanälen zu vermeiden, muss der einfallende Strahl ausreichend gut kollimiert werden, wenn er auf das Gitter trifft. Dies würde es erforderlich machen, dass das Gitter etwa 1 mm in der Diagonale groß ist und aus beispielsweise einer Zeile mit etwa 2000 Löchern bei einer Gitterkonstante von etwa 0,5 Mikrometer zusammengesetzt ist.
9 zeigt eine weitere Alternative für das Layout eines Gitters als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel ist das Gitter im Betrieb als WDM-Demultiplexer gezeigt, auf dem ein Wellenlängen-Multiplex aus einem optischen Netz auftrifft und vier verschiedene Ausgangskanäle ausgewählt werden, die an eine (nicht dargestellte) lokale Terminaleinrichtung übertragen werden. Eine derartige Konfiguration kann beispielsweise in einem lokalen Zugangsknoten in einem optischen Breitbandtelekommunikationsnetz verwendet werden. Das Gitter ist in diesem Fall allgemein ähnlich im Aufbau wie das in 1. Es umfasst eine Linse am Ende der Eingangsfaser 93, einen Bereich 91 aus photonischem kristallinem Material und eine Matrix aus vier Ausgangsfasern 95 mit Linsen am Ende. Es unterscheidet sich von dem Gitter in 1 darin, dass konkave Spiegel 96, 97 verwendet werden, um die Weiterleitung des Eingangs- und Ausgangsstrahls zu bewirken. Die Spiegel ermöglichen ein kompakteres Layout für das Gitter. Der Spiegel 96 auf der Eingangsseite dient dazu, den einfallenden Strahl auf das Gitter zu bündeln, während der Spiegel 97 auf der Ausgangsseite den Ausgangsstrahl auf eine Matrix von Wellenleitern für die vier verschiedenen Ausgangskanäle fokussiert. Die Spiegel können im Verlauf eines RIE-Prozesses zum Formen des Kristalls, wie er oben beschrieben wurde, hergestellt werden. Die schraffierten Bereiche in der Figur werden bis auf eine Tiefe von 1 bis 1,5 Mikrometer weggeätzt, weit unter der Tiefe der Wellenleiterschicht. Der auftreffende Strahl erfährt dann an der gekrümmten Grenzfläche zwischen dem planaren Wellenleiter und Luft in dem weggeätzten Bereich eine interne Totalreflexion. In diesem Beispiel hat der Spiegel 96 auf der Innenseite einen Abstand von dem Gitter von 3 mm, und die Außenseite des Spiegels hat von dem Gitter einen ähnlichen Abstand. Die reflektierten und fokussierten Strahlen von der Ausgangsseite des Spiegels treffen auf eine Matrix 98 von Dachkantenwellenleitern. Das Eingangsende der Matrix befindet sich im Fokus des Spiegels 97. Jeder Wellenleiter ist 3 Mikrometer breit, und der Abstand zwischen den Zentren benachbarter Wellenleiter beträgt 6 Mikrometer. Die Dachkante in jedem Wellenleiter ist 0,5 Mikrometer hoch. Die Wellenleiter bilden einen Ausgangsfächer und sind an ihrem Ausgangsende an eine Matrix von Ausgangsfaserwellenleitern 95 gekoppelt, die die verschiedenen Kanäle weiter zu den verschiedenen Teilnehmerterminals übertragen. 9b zeigt einen Querschnitt durch die Dachkantenwellenleiter auf der Linie X-X in 9b. Der schattierte Bereich zeigt die optische Mode, die unter einer der Dachkanten eingeschränkt wird.
10 zeigt nur zur Erläuterung eine weitere mögliche Struktur für einen integrierten WDM-Demultiplexer. Bei diesem Beispiel ist die Mikrostruktur 101 gekrümmt und wird in Reflexion benutzt. Diese Struktur hat den Vorteil, dass das konkave Layout der Mikrostruktur es nicht mehr notwendig macht, einen kollimierenden Spiegel oder eine Linse vorsehen zu müssen. Das Herstellungsverfahren, das oben beschrieben wurde, ermöglicht es, das Gitter in einer beliebigen gewünschten Form herzustellen, einschließlich in Formen, die nicht durch einfache mathematische Funktionen beschrieben werden können. Das Verfahren macht die präzise Steuerung der Krümmung einer Mikrostruktur möglich, um optische Aberrationen zu minimieren.
Die Gitterstrukturen, die oben beschrieben wurden, können so konfiguriert werden, dass sie als polarisationsempfindliche Vorrichtungen eingesetzt werden können. In diesem Fall wird der Eingangsstrahl wie zuvor schon auf das Gitter gelenkt. Jetzt wird jedoch die reflektierte Ordnung aufgegriffen, zum Beispiel durch einen Ausgangswellenleiter, der wie in 10 neben dem Eingangswellenleiter angeordnet ist. Man findet, dass ein Polarisationszustand sehr viel stärker reflektiert wird als der andere. 11 zeigt die Reflexionskoeffizienten für TM- (transversal magnetische) und TE- (transversal elektrische) Polarisationsmoden für den Fall einer Struktur mit einer Schicht aus kreisförmigen Löchern mit einer Gitterkonstante von 0,46 Mikrometer, die unter einem Winkel Theta einfallen, so dass sin (Theta) = 0,05. Wie in 12 gezeigt, hat das Verhältnis der Reflexionskoeffizienten eine scharfe Spitze in Abhängigkeit von der Signalwellenlänge. Diese Polarisationsabhängigkeit kann ausgenutzt werden beispielsweise beim Bau eines Polarisationsfilters für den Einsatz in einem Rückkopplungskreis für ein aktives Polarisationssteuerungssystem. In einem solchen System trifft der Ausgang von dem Filter auf einen Fotodetektor und wird verwendet, um einen Rückkopplungsschaltkreis zu treiben, der elektromechanische Stellglieder antreibt, um einen Faserpolarisator zu drehen. Auf diese Art und Weise wird am Ausgang des optischen Systems ein gewünschter Polarisationszustand aufrechterhalten. Das Gitter kann außerdem verwendet werden als polarisierender Strahlteiler, um orthogonale Polarisationszustände zu separieren, beispielsweise bei einem kohärenten Kommunikationssystem. In der Quantenkryptografie mit Schlüsselaustausch, wie es beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 94/154212 dieses Anmelders beschrieben ist, ist eine polarisationsabhängige Detektion erforderlich, und die Mikrostrukturen der vorliegenden Erfindung können in diesem Zusammenhang als Teil eines integrierten planaren optischen Empfängers verwendet werden. Die Mikrostruktur gemäß der Erfindung kann außerdem in denjenigen rein optischen Schaltern eingesetzt werden, bei denen orthogonal polarisierte Schalteinrichtungen und geschaltete Strahlen eingesetzt werden.

Claims

Optischer Demultiplexer für Wellenlängen-gemultiplexte optische Signale mit einem optischen Beugungselement, wobei das optische Beugungselement umfasst: a) einen Teil eines kristallinen photonischen Materials für Beugung von Licht, b) eine Eingangskopplereinrichtung mit einem optischen Eingangswellenleiter zum Einkoppeln eines Eingangsstrahls in das kristalline photonische Material und c) eine Ausgangskopplereinrichtung mit wenigstens einem optischen Ausgangswellenleiter, wobei der oder jeder der optischen Ausgangswellenleiter und der optische Eingangswellenleiter auf einem gemeinsamen Substrat mit dem kristallinen photonischen Material hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangskopplereinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Strahl aufzunehmen, der streifend aus dem kristallinen photonischen Material austritt, wobei das kristalline photonische Material insbesondere eine regelmäßige Matrix von Streuzentren in einem dielektrischen Material umfasst, wobei die insbesondere regelmäßige Matrix mehrere Zeilen aufweist.
Optischer Demultiplexer nach Anspruch 1, bei dem der Bereich des kristallinen photonischen Materials in einer Wellenleiterschicht aus dielektrischem Material hergestellt wird.
Optischer Demultiplexer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Matrix aus nicht mehr als zehn Zeilen mit Streuzentren besteht.
Optischer Demultiplexer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Wellenleiter planare Strukturen aufweisen, die eingerichtet sind, um das Licht in der Richtung senkrecht zur planaren Oberfläche einzuschließen.
Optischer Demultiplexer nach Anspruch 4, bei dem wenigstens einer der Wellenleiter einen Dachkantenwellenleiter umfasst, dazu eingerichtet, um das Licht auch in der Richtung parallel zu der planaren Oberfläche einzuschließen.
Optischer Demultiplexer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gitter konfiguriert ist, um es in Transmission zu betreiben, wobei die Einrichtungen zum Einkoppeln eines Eingangsstrahls und die Einrichtungen zum Einkoppeln eines Ausgangsstrahls auf beiden Seiten des kristallinen photonischen Materials angeordnet sind.
Optischer Demultiplexer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das dielektrische Material ein III-V-Material ist.
Optischer Demultiplexer nach Anspruch 7, bei dem das dielektrische Material Indiumphosphid ist.
Optischer Demultiplexer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Streuzentren Löcher in dem dielektrischen Substrat umfassen.
Optischer Demultiplexer nach Anspruch 9, bei dem die Löcher mit einem dielektrischen Material gefüllt sind.
Optischer Demultiplexer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum Einkoppeln eines Ein gangsstrahls Einrichtungen zum Bündeln eines Strahls umfassen, der auf den Teil des kristallinen photonischen Materials auftrifft.
Optischer Demultiplexer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtungen zum Einkoppeln eines Ausgangsstrahls Einrichtungen zum Fokussieren des streifend austretenden Ausgangsstrahls umfassen.
Optischer Demultiplexer nach Anspruch 11 oder 12, bei dem wenigstens eine der Einrichtungen zum Bündeln und die Einrichtungen zum Fokussieren eine spiegelnde konvexe Oberfläche aufweisen, die integral in einem gemeinsamen Substrat mit dem Bereich des kristallinen photonischen Materials hergestellt sind.
Optischer Demultiplexer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Teil des kristallinen photonischen Materials ein Beugungsgitter darstellt und bei dem der streifend austretende Strahl im Betrieb unter einem Glanzwinkel in Bezug auf das Gitter austritt, wobei der Glanzwinkel zwischen drei und fünf Grad beträgt.
Optischer Demultiplexer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Eingangskopplereinrichtung mehrere Wellenleiter umfasst, wobei jeder eingerichtet ist, einen entsprechenden Wellenlängenkanal aufzunehmen.