DE69737491T2

DE69737491T2 - Integrierte optische Einrichtung mit aktiven und passiven Wellenleiterbereichen

Info

Publication number: DE69737491T2
Application number: DE69737491T
Authority: DE
Inventors: Jean-Emmanuel Broquin; Roger Rimet
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 1996-07-24
Filing date: 1997-07-10
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2017-07-11
Also published as: CA2210346C; EP0821250B1; FR2751759A1; US5867623A; EP0821250A1; DE69737491D1; FR2751759B1; CA2210346A1

Description

Die Erfindung betrifft eine integriert-optische Einrichtung mit einem Glassubstrat, einer auf einer Fläche des Substrats aufgebrachten dünnen, ebenen, aktiven Lichtleitschicht sowie einem durch Ionenaustausch in das Substrat eingebrachten Kanal, der ein erstes Teilstück mit einem bestimmten Querschnitt umfasst, welches Teilstück an die genannte Fläche angrenzt und von der dünnen Schicht abgedeckt ist, so dass in der dünnen Schicht ein seitlich begrenzter Einschlussbereich einer Lichtwelle entsteht, um so einen Monomode-Wellenleiter mit seitlichem Einschluss durch das Substrat zu bilden.
Eine in integrierter Optik ausgeführte bekannte aktive optische Einrichtung umfasst einen auf ein Glassubstrat aufgebrachten Polymerfilm, der eine lichtleitende Schicht bildet. Ein durch Ionenaustausch unterhalb des Polymerfilms in das Substrat eingebrachter nichtleitender Kanal bewirkt eine seitliche Begrenzung der Lichtwellen in dem, den Kanal abdeckenden Bereich der dünnen Schicht. Es wurde bereits vorgeschlagen eine optische Einrichtung dieser Art für optische Schalter zu verwenden (vgl. Fachartikel von N.E. SCHLOTTER et al.: "Fabrication of Channel waveguides in polydiacetylenes: composite diffused glass/polymer structures", Appl. Phys. Lett. 56(1), (01/01/90).
In dem Artikel "Opical fiber-polymer guide coupling by a tapered graded index glass guide" von S. Sottini et al., IEEE, J. Quantum Elect., vol. 31 (1995), n° 6, S. 1123-1130 wird der allmähliche Übergang eines Lichtstrahlenbündels von einem in ein Substrat eingebrachten Lichtleiter in einen Polymerfilm beschrieben, der einen Mittelabschnitt des Substrats bedeckt, in dem der Lichtleiter unterbrochen ist. Der Übergang zwischen dem Lichtleiter und dem Film wir dadurch begünstigt, dass sich die Dicke des Lichtleiters und des Films in den Übergangszonen verändert.
Der Erfindung liegt die Angabe einer optischen Einrichtung zugrunde, mit der sich kostengünstig aktive optische Bauteile, wie Modulatoren, Verstärker, Messfühler, Schalter oder Laser herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die genannte Fläche des Substrats teilweise durch die dünne Schicht abgedeckt wird und sich im Innern des Substrats an das erste Teilstück mindestens ein, durch Ionenaustausch hergestelltes, von der dünnen Schicht nicht abgedecktes kanalförmiges zweites Teilstück mit bestimmtem Querschnitt anschließt, welcher Querschnitt größer ist als der Querschnitt des ersten Teilstücks, derart dass im Substrat ein passiver Monomode-Wellenleiter gebildet wird.
Aufgrund dieser Auslegung, bei der im gleichen Substrat durch Ionenaustausch hergestellte passive Lichtleitzonen zusammen mit aktiven Lichtleitzonen ausgebildet sind, in denen die Leitung durch die aus der Oberfläche austretende evaneszente Welle genutzt wird und die durch eine Kombination aus Ionenaustausch- und Beschichtungstechnik hergestellt werden, lässt sich eine aktive optische Einrichtung herstellen, die leistungsfähig und zugleich kostengünstig ist.
Der Übergang der Lichtwellen von den aktiven in die passiven Lichtleitzonen und umgekehrt wird dadurch optimiert, dass mindestens ein Rand der dünnen Schicht die Achse des Kanals in einem bestimmten, kleinen Winkel schräg schneidet, so dass im Kanal mindestens ein vollständig abgedeckter Axialabschnitt, ein vollständig freiliegender Axialabschnitt und ein teilweise abgedeckter Axialabschnitt gebildet werden, die den adiabatischen Lichtübergang zwischen dem zweiten Teilstück und der dünnen Schicht ermöglichen.
Der vollständig abgedeckte Axialabschnitt wird durch das erste Teilstück, der vollständig freiliegende Axialabschnitt durch das zweite Teilstück und der teilweise abgedeckte Axialabschnitt durch ein Zwischenstück mit veränderlichem Querschnitt gebildet, dessen Wert zwischen dem Querschnitt des ersten Teilstücks und dem des zweiten Teilstücks liegt.
Mehrere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine aktive Lichtleiteinrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik;
2 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung;
3 den Verlauf der Tiefe der Ausbreitungsachse des Lichts in Bezug zur Oberseite des Substrats der Einrichtung aus 2;
4 bis 6 Schnittansichten gemäß den Ebenen A-A, B-B und C-C der Einrichtung aus 2.
Der in 1 gezeigte Monomode-Wellenleiter mit Einschluss durch das Substrat umfasst ein Glassubstrat 1, in das durch Ionenaustausch ein Kanal 2 eingebracht ist. Der Kanal 2 grenzt an die Oberfläche 3 (Oberseite in 1) des Substrats 1. Auf die Oberfläche 3 ist eine dünne, ebene Lichtleitschicht 4 aufgebracht. In einer solchen Anordnung werden die Lichtwellen durch die Schicht 4 geführt. Der mit dem aus der Oberfläche austretenden, evaneszenten Teil der Lichtwellen in Kontakt stehende Kanal 2 bewirkt im Innern der Schicht 4 eine seitliche Eingrenzung des Lichtes in der Nähe des Kanals 2. Auf diese Weise erhält man eine horizontale Führung der Lichtwellen.
Bei der in 2 und 4 bis 6 gezeigten Einrichtung sind passive Führung und seitliche Führung durch die evaneszente Welle miteinander kombiniert. Die dünne Schicht 4 deckt nur einen Teil der Fläche 3 des Glassubstrats ab. Der durch Ionenaustausch in das Substrat eingebrachte Kanal 2 umfasst ein erstes Teilstück 2a, das durch die dünne Schicht 4 abgedeckt ist. Dieser Teil der Einrichtung bildet einen Wellenleiter mit Einschluss durch das Substrat vom gleichen Typ wie in 1. An das erste Teilstück 2a schließen sich im Innern des Substrats zweite Teilstücke 2b an, die nicht durch die dünne Schicht 4 abgedeckt sind. In 2 schließen sich die zweiten Teilstücke 2b auf beiden Seiten des ersten Teilstücks 2a an. Die durch Ionenaustausch hergestellten Teilstücke 2b bilden einen passiven Wellenleiter im Substrat.
Bei der in 4 und 6 gezeigten Ausgestaltung grenzen die ersten bzw. zweiten Teilstücke 2a und 2b an die Fläche 3 des Substrats. Sie weisen unterschiedliche Querschnitte auf. Der Querschnitt des ersten Teilstücks 2a ist kleiner als der Querschnitt des zweiten Teilstücks 2b, wobei diese Querschnitte so bemessen sind, dass bei einer bestimmten Wellenlänge das erste Teilstück nichtleitend ist, während das zweite Teilstück leitend ist.
Damit die Lichtwelle möglichst verlustfrei von dem im Substrat ausgebildeten, durch das Teilstück 2b gebildeten passiven Monomode-Wellenleiter in den durch die dünne Schicht 4 und das Teilstück 2a gebildeten Monomode-Wellenleiter mit Einschluss durch das Substrat – und umgekehrt – übergehen kann, weist die dünne Schicht 4 einen Rand 5 auf, der den Kanal 2 in einem bestimmten Winkel α1 schräg schneidet. Der in 2 zur Verdeutlichung stark vergrößert dargestellte Winkel α1 ist sehr klein und beträgt vorzugsweise etwa weniger als ein Grad. Auf diese Weise begrenzt der Rand 5 im Kanal 2 einen durch das erste Teilstück 2a gebildeten, vollständig abgedeckten Axialabschnitt, einen durch das zweite Teilstück 2b gebildeten, vollständig freiliegenden Axialabschnitt sowie einen, zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstück angeordneten und durch ein Zwischenstück 2c gebildeten, teilweise abgedeckten Axialabschnitt. Wie 5 zeigt, weist das Zwischenstück einen Querschnitt auf, der zwischen dem Querschnitt des ersten Teilstücks (2a) und dem des zweiten Teilstücks (2b) liegt.
Die dünne Schicht 4 kann beispielsweise eine Dicke von unter 10 Mikrometer, vorzugsweise unter 3 Mikrometer aufweisen. Sie beträgt typischerweise etwa 1 Mikrometer, und der Winkel α1 ist kleiner als 1°, vorzugsweise etwa 0,5°.
In 2 weist die dünne Schicht 4 annähernd die Form eines Parallelogramms mit zwei parallel zu einer Achse S des Kanals 2 verlaufenden Seiten sowie zwei Seiten 5 auf, die mit der Achse S einen Winkel α1 bilden und jeweils einen Übergangsbereich zwischen einem Teilstück 2b und einem Teilstück 2a darstellen.
Bei einer Einrichtung gemäß 2 und 4 bis 6 entspricht die Änderung der Ausbreitungstiefe P einer Lichtwelle in Abhängigkeit von ihrer Lage x auf der Achse S dem in 3 gezeigten Verlauf. Bei einer Tiefe von null entsprechend der Oberfläche 3 des Substrats 1 breitet sich die Lichtwelle in den Teilstücken 2b in einer negativen Tiefe P2 und im Bereich der das Teilstück 2a abdeckenden dünnen Schicht 4 in einer positiven Tiefe P1 aus. Die Breite des Übergangsbereichs zwischen der Tiefe P1 und der Tiefe P2 hängt vom Winkel α1 und von der Breite des Kanals 2 ab.
Auf diese Weise ergibt sich ein adiabatischer Übergang des Lichts von dem im Substrat ausgebildeten passiven Monomode-Wellenleiter in den Monomode-Wellenleiter mit Einschluss durch das Substrat und umgekehrt.
Die dünne Schicht 4 kann aus einem beliebigen lichtaktiven Material bestehen, um je nach Fall eine Verstärkung, Modulation, Absorption, Umschaltung oder Erfassung einer Lichtwelle zu ermöglichen. Es können beispielsweise Oxyd-, Glas- oder Polymerwerkstoffe verwendet werden. Die dünne Schicht kann mit Hilfe jedes geeigneten Verfahrens, insbesondere durch ein Sol-Gel-Verfahren oder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht werden. Die Schicht kann mit seltenen Erden dotiert sein.
Der adiabatische Charakter des Übergangs wird durch den Schrägungswinkel (α1) der aktiven dünnen Schicht sowie durch den Unterschied zwischen den Ausbreitungskonstanten des Lichts in der passiven Zone einerseits und der aktiven Zone andererseits bestimmt.

Claims

Integriert-optische Einrichtung mit einem Glassubstrat (1), einer auf einer Fläche (3) des Substrats (1) aufgebrachten dünnen, ebenen, aktiven Lichtleitschicht sowie einem durch Ionenaustausch in das Substrat eingebrachten Kanal (2), der ein erstes Teilstück (2a) mit einem bestimmten Querschnitt umfasst, welches Teilstück an die genannte Fläche (3) angrenzt und von der dünnen Schicht (4) abgedeckt ist, so dass in der dünnen Schicht (4) ein seitlich begrenzter Einschlussbereich einer Lichtwelle entsteht, um so einen Monomode-Wellenleiter mit seitlichem Einschluss durch das Substrat (1) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Fläche (3) des Substrats (1) teilweise durch die dünne Schicht (4) abgedeckt wird, dass der Kanal (2) mindestens ein zweites Teilstück (2b) umfasst, welches sich an das erste Teilstück (2a) anschließt und nicht von der dünnen Schicht (4) abgedeckt wird, wobei das zweite Teilstück einen bestimmten Querschnitt aufweist, der größer ist als der Querschnitt des ersten Teilstücks (2a), derart dass im Substrat (1) ein passiver Monomode-Wellenleiter gebildet wird, und dadurch dass mindestens ein Rand (5) der dünnen Schicht (4) die Achse des Kanals (2) in einem bestimmten, kleinen Winkel (α1) schräg schneidet, so dass im Kanal (2) mindestens ein durch das erste Teilstück (2a) gebildeter, vollständig abgedeckter Axialabschnitt, ein durch das zweite Teilstück (2b) gebildeter, vollständig freiliegender Axialabschnitt sowie ein teilweise abgedeckter Axialabschnitt gebildet werden, welcher durch ein zwischen dem ersten Teilstück (2a) und dem zweiten Teilstück (2b) angeordnetes Zwischenstück (2c) mit veränderlichen Querschnitt gebildet wird, der einen adiabatischen Lichtübergang zwischen dem zweiten Teilstück (2b) und der dünnen Schicht (4) ermöglicht.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α1) kleiner als etwa 1° ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (4) aus einem Oxyd-, einem Glas- oder einem Polymerwerkstoff besteht.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (4) mit seltenen Erden dotiert ist.