DE69802911T2

DE69802911T2 - Vorrichtung zum demultiplexen von in einem optischen spektrum enthaltenen spektrallinien

Info

Publication number: DE69802911T2
Application number: DE69802911T
Authority: DE
Inventors: Pierre Ferdinand; Gilles Grand; Sylvain Magne
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1997-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2018-03-21
Also published as: WO1998043119A1; EP0968446A1; CA2284906C; US6226426B1; FR2761164A1; FR2761164B1; CA2284906A1; EP0968446B1; JP2001519923A; DE69802911D1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Demultiplexen der in einem optischen Spektrum enthaltenen Spektrallinien.
Ihre Anwendungen liegen vor allem auf dem Gebiet der optischen Telekommunikationen.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Wellenleiterfasersensoren-Netzwerke ("networks").
Zu diesem Thema kann man die Dokumente (1) bis (4) konsultieren, die wie die anderen in der Folge genannten Dokumente am Ende der vorliegenden Beschreibung angeführt sind.
Solche Sensorennetzwerke eignen sich zur Überwachung von Strukturen in den folgenden Gebieten: Bauwesen, öffentliche Bauten, Transporte, Luft- und Raumfahrtindustrie.

STAND DER TECHNIK

Bekannt sind vier Techniken zur Durchführung eines Demultiplexing in der integrierten Optik: eine erste Technik benutzt ein geätztes Gitter ("grating"), eine zweite Technik benutzt Mach-Zehnder-Interferometer, eine dritte Technik benutzt ein Phasengitter oder PHASAR (für PHASe-AKray) und eine vierte Technik benutzt ab- bzw. ausgeglichene Mach-Zehnder-Interferometer oder 100%-Koppler mit in den beiden Zweigen identischem photoinduziertem Bragg-Gitter ("ADD-DROP-Multiplexer").
Die erste Technik wertet die Beugung des Lichts durch ein konkaves Gitter aus ("grating") (mit kreisförmigem oder planen Austrittsfeld), geätzt und markiert (blase) mit einer höheren Ordnung.
Die vertikale Ätzung ist im Falle von Siliciumdioxidleitern auf Silicium möglich und kann eine Tiefe von 25 um erreichen.
Zu diesem Zweck kann man das Dokument (6) konsultieren.
Das Demultiplexing-Bauteil besteht dann aus einer Eingangsfaser, angeschlossen an einen planaren Leiter, der das Licht in Richtung eines geätzten Beugungsgitters sendet.
Im Falle des Gitters mit kreisförmigem Ausgangsfeld werden das einfallende Licht und das gebeugte Licht, refokussiert mit verschiedenen Einfallwinkeln, auf den Rowlandkreis lokalisiert.
Im Falle des Gitters mit planem Feld (s. Dokument (6)) sind die über die Wellenlänge verteilten stigmatischen Punkte auf einer zum reflektierten Strahl rechtwinkligen Geraden aufgereiht.
Da das Gitter mit Reflexion arbeitet, ist es metallisiert.
Das Ätzprofil des Gitters kann durch eine Gruppe von Ellipsen gebildet werden, wie das Dokument (7) lehrt.
Der gebeugte Strahl wird auf Einmodenleiter refokussiert, die z. B. einen Durchmesser von 16 um haben, wie das Dokument (6) lehrt, oder auf Photodioden, die eine Reihe bzw. Anordnung bilden, wie das Dokument (5) lehrt.
Das Gitter arbeitet vorzugsweise mit einer hohen Beugungsordnung (die von 4 in dem Dokument (6) bis 50 in dem Dokument (5) geht), in der Absicht, ein Demultiplexing mit hoher Dichte zu realisieren (für die Telekommunikationen).
Die zweite Technik beruht auf der Serienanordnung von mehreren Interferometern des Typs Mach-Zehnder, die alle bezüglich ihrer optischen Wege unausgeglichen sind, mit einem charakteristischen Unausgeglichenheitswert.
Zu diesem Thema kann man das Dokument (8) konsultieren.
Für einen Demultiplexer mit vier Kanälen verwendet man z. B. zwei Interferometer, deren Unausgeglichenheiten jeweils ΔL&sub1; und ΔL&sub2; = ΔL&sub1; + λ/4N betragen, und ein drittes Interferometer, dessen Unausgeglichenheit ΔL&sub3; 2·ΔL&sub1; beträgt (typisch in der Größenordnung von 50 um bis 100 um), um eine Trennung zwischen Kanälen von 7,5 nm bis 1550 nm zu erhalten, wobei N der effektive Index der Mode ist.
Die dritte Technik benutzt ein optisches Phasengitter ("optical phase-array"), das durch eine Gruppe von parallelen Einmoden-Phasenschieberleitern gebildet wird, die zwei plane Eingangs- und Ausgangsleiter durch Rundschnittstellen verbinden.
Zu diesem Thema kann man Dokument (9) konsultieren.
Mit den anderen Rundschnittstellen der planen Leiter sind Eingangsleiter und Ausgangsleiter verbunden.
Das durch irgendeinen der Eingangsleiter eingespeiste Licht breitet sich in dem planen Eingangsleiter aus und deckt die Gesamtheit der an der Schnittstelle befindlichen Phasenschieber ab.
Das PHASAR, das mittels Transmission funktioniert, verhält sich also wie ein konkaves Beugungsgitter sehr hoher Ordnung (ungefähr 50 bis 100) und mit großer Multiplexingkapazität.
Zu diesem Thema kann man das Dokument (10) konsultieren.
Je größer die Anzahl der Phasenschieberleiter ist, um so besser wird die spektrale Auflösung.
In dem Dokument (11) werden z. B. 60 Phasenschieber verwendet.
Ein Halbwellenlängenplättchen kann in der Mitte der optischen Schaltung eingesetzt werden, die durch die Phasenschieberleiter gebildet wird, um die Polarisationsabhängigkeit dieser Schaltung zu annullieren.
Die vierte Technik benutzt ausgeglichene Mach-Zehnder-Interferometer oder 100%- Koppler mit einem in den beiden Zweigen identischen photoinduzierten Bragg-Gitter. Das Licht wird für alle Wellenlängen, die sich von der Bragg-Wellenlänge unterscheiden, am Port 1 eingespeist und am Port 3 gesendet (100% Kopplung); das Licht mit der Bragg-Wellenlänge wird am Port 2 selektiv reflektiert. Zu diesem Thema kann man z. B. das Dokument (29) konsultieren, dem die vorhergehenden Zahlenbezugsangaben entnommen wurden.
Drei Arten von Materialien werden verwendet, um die in den vier vorhergehenden Techniken benutzten Bauteile zu realisieren: Glas, Siliciumdioxid auf Silicium und Halbleiter des Typs InP.
Insbesondere wurden geätzte Gitter und PHASARe in integrierter Optik auf Silicium verwendet, während Interferometer-Demultiplexer in integrierter Optik auf Silicium oder auf Glas realisiert wurden.
Keine dieser vier bekannten Techniken ermöglicht, die Bragg-Wellenlängen direkt mit der gewünschten Genauigkeit zu bestimmen.
Außerdem erfordern diese Techniken einen Kompromiss zwischen Diaphonie ("cross talk") und besetztem Spektralraum.
Die Diaphonie, d. h. die Lichtkopplung zwischen den Ausgängen, muss minimiert werden, denn sie trägt dazu bei, die Wellenlängenmessungen zu verfälschen.
Typischerweise wird eine Diaphonie von -25 dB bis -30 dB gesucht und die Spektralbesetzung wird folglich reduziert.
Im Falle eines Beugungsgitters in integrierter Optik auf Silicium wird die Lichtkopplung zwischen den Ausgängen durch die Diffusion in dem Leiter (auf Grund von Ätzmängeln) und durch die Kopplung zwischen den Ausgangsleitern eingeführt, wenn diese zu nahe beieinander liegen.
Zwischen den Zentren der beiden benachbarten Spektralkanäle liegt die Diaphonie typisch in der Größenordnung von -20 dB bis -35 dB, während sie an der Überschneidung der diesen Kanälen entsprechenden Transferfunktionen (bei der Hälfte der Spektralperiode) nur noch -10 dB bis -15 dB beträgt.
Im Falle des PHASAR sind die Charakteristika der Diaphonie und des besetzten Spektralraums mit die besten.
Typischerweise wird in dem Dokument (11) für eine Spektralbesetzung von 0,8 nm und eine Periode von 2 nm eine Diaphonie erreicht, die besser ist als -30 dB, mit 60 Phasenschieberleitern und einer Beugungsordnung gleich 60.
Im Falle der Mach-Zehnder-Interferometer hängt die Diaphonie von der Justiergenauigkeit der Trennungskoppler ab (3dB-Koppler).
Zum Beispiel wird in dem Dokument (8) ein Demultiplexer beschrieben, der durch drei Interferometer gebildet wird, die durch 3,1dB-Kopplern gebildet werden (anstelle von 3dB- Kopplern) und der durch eine Diaphonie von ungefähr -20 dB gekennzeichnet ist.
In dem Dokument (4) wird ebenfalls ein Demultiplexer vorgeschlagen, der eine Sammelvorrichtung des zu analysierenden Lichts und eine Serie Bandfilter einschließt, die kaskadenförmig geschaltet und mit Photodetektoren verbunden sind.
Der Hauptnachteil dieses Demultiplexers ist, dass er für einen Betrieb im freien Raum konzipiert wurde.
Daher sind die Reproduzierbarkeit und die Zuverlässigkeit der Messungen sowie die Robustheit und die Integration dieses Demultiplexers für eine Anwendung in Mikrosystemen ungeeignet.
Zudem hängt die minimale mit diesem Demultiplexer erreichbare Diaphonie von der Reflexion der verwendeten Bandfilter ab (die typisch -20dB-Antireflexabscheidungen umfassen) und hängt auch sehr stark von der Polarisation des analysierten Lichts ab (Filterausrichtung 45º).
Ein derartiger Multiplexer eignet sich nicht für eine Serienfertigung, die mit den Erfordernissen des Marktes der industriellen Sensoren kompatibel ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die oben genannten Nachteile zu beseitigen, indem sie eine Demultiplexing-Vorrichtung vorschlägt, die eine sehr gute Wellenlängenzurückweisung aufweist, eine sehr schwache Diaphonie sicherstellt (unter -30 dB) und eine große Herstellungs-"Flexibilität" hat (denn sie ermöglicht die Justierung bzw. Anpassung der Abstimmwellenlängen).
US-A-5 457 760 handelt von einer Wellenlängendemultiplexing-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung eine Wellenlängendemultiplexing- Vorrichtung einer Vielzahl N von Spektrallinien (> 1 bis > N) zum Gegenstand, die zusammen ein optisches Spektrum bilden und von denen jede in einem bestimmten Spektralbereich fluktuieren kann, umfassend:
- einen Energie-Separator mit einem Eingang, dazu bestimmt, das optische Spektrum zu empfangen, und eine Vielzahl N von Ausgängen, von denen jeder fähig ist, einen Bruchteil der Lichtenergie des optischen Spektrums zu liefern, und
- eine Vielzahl von N optischen Wellenlängenfiltern, von denen jedes mit einem entsprechenden Ausgang des Energie-Separators verbunden ist und ein Wellenlängen- Durchlaßband hat, das den Spektralbereich enthält, der einer der Linien (λi)zugeordnet ist, wobei jedes Filter angepasst ist, eine andere Linie (λi) zu filtern,
dabei ist diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass jedes optische Filter durch einen einzigen wellenlängen-selektiven Reflektor gebildet wird, der derart angepasst ist, dass er nur eine einzige Linie (λi) des optischen Spektrums reflektiert, die für jeden selektiven Reflektor verschieden ist, und dadurch, dass jeder dieser selektiven Reflektoren einer Einrichtung zugeordnet ist, die die derart reflektierte Linie (λi) in eine andere Richtung als derjenigen lenkt, in der das eintreffende Licht diesen selektiven Reflektor erreicht.
Man kann einen Energieseparator bekannten Typs verwenden, z. B. von der Art derer, die durch die Firma CORNING vertrieben werden. Dieser Energieseparator kann ein System kaskadenförmig oder baumartig angeordneter bzw. geschalteter Trennverzweiger sein (d. h. mit verzweigter Anordnung).
Jeder Trennverzweiger kann ein Mehrmodenübergang sein, ist aber vorzugsweise ein Einmodenübergang, insbesondere wenn das optische Spektrum, das demultiplexiert werden muss, durch eine optische Einmodenfaser übertragen wird, die mit dem Eingang des Trennverzweigersystems verbunden ist.
Diese Trennverzweiger können Koppler sein, z. B. 3dB-Koppler (Koppler die derartig sind, dass jeder ihrer beiden Ausgangskanäle die Hälfte der eintreffenden Lichtenergie transportiert).
Jedoch erfordert dies eine genaue Anpassung der Kopplungswellenlänge sowie des Intervalls bzw. Abstands zwischen den beiden gekoppelten Leitern solcher Koppler in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Daher werden in der vorliegenden Erfindung bevorzugt Trennverzweiger benutzt, die durch Y-Übergänge gebildet werden.
Y-Übergänge haben den Vorteil, achromatisch und unabhängig von der Polarisation zu sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die jedem selektiven Reflektor zugeordnete Einrichtung durch einen zur Ausbreitung der durch diesen Reflektor reflektierten Linie bestimmten Lichtwellenleiter gebildet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der Energieseparator und die selektiven Reflektoren auf demselben Substrat integriert.
Dieses Substrat kann aus Glas oder aus Silicium sein.
Vorzugsweise umfassen die selektiven Reflektoren Bragg-Gitter ("Bragg gratings").
Die Bragg-Gitter können photoinduziert oder photogeätzt sein.
Außerdem können die Bragg-Gitter Gitter mit variablen Perioden ("chirped gratings") sein.
Man kann auch Gitter mit festen Perioden und maximaler (gesättigter) Reflektivität verwenden, die man z. B. durch Photoinduktion unter einer sehr starken Fluenz (um ihre Spektralempfindlichkeit zu erhöhen) erhält.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden, erläuternden und keinesfalls einschränkenden Beschreibung, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer speziellen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Demultiplexing-Vorrichtung,
- die Fig. 2 zeigt schematisch das Prinzip des Spektraldemultiplexing mit Hilfe dieses Gitters,
- die Fig. 3 zeigt ein Spektralmultiplexing eines Abakus-Typs (abaque-type), und
- die Fig. 4 und 5 zeigen schematisch zwei Demultiplexing-Möglichkeiten.

DETAILLIERTE DARSTELLUNG VON SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSARTEN

Die erfindungsgemäße Demultiplexing-Vorrichtung, die in der Fig. 11 schematisch dargestellt ist, dient dem Wellenlängen-Demultiplexing einer Vielzahl von Spektrallinien, z. B. von 8 Spektrallinien, die ein optisches Spektrum bilden und in bestimmten Spektralbereichen fluktuieren können.
Die Vorrichtung der Fig. 1 umfasst Energie-Trennverzweiger 2a, 2b, 2c, die kaskadenförmig aufgebaut bzw. geschaltet sind.
Der Aufbau bzw. die Schaltung dieser Trennverzweiger umfasst einen Eingang 4, der dazu bestimmt ist, das Licht 6 zu empfangen, das die verschiedenen Spektrallinien enthält, sowie eine Vielzahl von Ausgängen 8, die fähig sind, jeweils Bruchteile der Lichtenergie des optischen Spektrums zu liefern.
In dem dargestellten Beispiel wird das Licht 6, das die verschiedenen Spektrallinien enthält, durch eine optische Einmodenfaser 10 übertragen, die optisch mit dem Eingang 4 des Trennverzweiger-Systems gekoppelt ist.
Diese Trennverzweiger sind vom Einmoden-Typ, da die Faser 10 eine Einmodenfaser ist.
In dem dargestellten Beispiel werden, da man acht Spektrallinien trennen will, sieben kaskadenförmig geschaltete Trennverzweiger verwendet, nämlich ein Verzweiger 2a, zwei Verzweiger 2b und vier Verzweiger 2c.
Man verfügt also bei diesem Trennverzweiger-System über acht Ausgänge 8.
Als Trennverzweiger werden vorzugsweise Y-Verzweiger verwendet.
Ein Y-Verzweiger wird durch einen Eingangsleiter und zwei Ausgangsleiter gebildet, die einen Winkel bilden (typisch einige Grad).
Man sieht in der Fig. 1, dass der Eingangszweig des Verzweigers 2a optisch mit der optischen Faser 10 gekoppelt ist und den Eingang 4 des Verzweigersystems bildet.
Die beiden Ausgangszweige dieses Verzweigers 2a sind jeweils mit den Eingangszweigen der beiden Verzweiger 2b gekoppelt.
Jeder der Ausgangszweige dieser Verzweiger 2b ist selbst mit dem Eingangszweig eines der vier Verzweiger 2c gekoppelt.
Die acht Ausgangszweige dieser Verzweiger 2c bilden die Ausgänge 8 des Verzweigersystems und sind jeweils mit acht Bragg-Gittern 12 gekoppelt.
Jedes dieser Bragg-Gitter 12 bildet einen wellenlängen-selektiven Lichtreflektor.
Dieser Lichtreflektor hat ein Wellenlängen-Durchlaßband, das den Spektralbereich enthält, in dem eine der acht Spektrallinien fluktuieren kann.
Dieses Bragg-Gitter reflektiert also nur diese Linie.
Jedes der Bragg-Gitter 12 ist auf einer Seite nicht nur mit einem der Ausgänge des Verzweigersystems 2a, 2b, 2c gekoppelt, sondern - auf derselben Seite - auch mit einem optischen Wellenleiter 14, der der Ausbreitung des Lichts 16 dient, das der durch dieses Bragg-Gitter reflektierten Linie entspricht.
Man sieht in der Fig. 1 auch, dass die Verzweiger 2a, 2b, 2c und das Bragg-Gitter 12 auf demselben planen Substrat 18 integriert sind.
Dieses Substrat 18 ist z. B. aus Gründen der einfachen Herstellung der Y- Verzweiger und der Bragg-Gitter aus Glas oder aus Silicium.
Es sei darauf hingewiesen, dass der waagrechte und der senkrechte Maßstab der Fig. 1 unterschiedlich sind.
Rein erläuternd und keinesfalls einschränkend erstrecken sich die Bragg-Gitter in einer selben Richtung D und die Dimension der Fig. 1 in dieser Richtung liegt in der Größenordnung von 70 mm, während die Dimension in einer zu der vorhergehenden senkrechten Richtung in der Größenordnung von 5 mm liegt.
Präzisiert sei, dass die Lichtenergie, die durch den Eingangszweig in jedem Y- Verzweiger eintrifft, sich zur Hälfte in dem einen der Ausgangszweige dieses Verzweiger wiederfindet und zur Hälfte in dem anderen Ausgangszweig.
Hingegen wird die in einem der Ausgangszweige eines Y-Verzweigers eintreffende Lichtenergie nur zur Hälfte in den Eingangszweig des nachfolgenden Verzweigers übertragen.
Der Rest dieser Energie wird in das Substrat 18 übertragen.
Zu diese Thema kann man das Dokument (20) konsultieren.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Demultiplexer mit acht Ausgangskanälen liegt der Prozentsatz der eintreffenden Lichtenergie 6, der in jedem optischen Wellenleiter 14 nach Reflexion durch das entsprechende Demultiplexing-Bragg-Gitter 12 vorhanden ist, bei ungefähr 3% dieser eintreffenden Energie, d. h. dass die Dämpfung in der Größenordnung von -15 dB liegt.
Die Fig. 2 zeigt schematisch das Funktionsprinzip der Wellenlängen- Demultiplexing-Vorrichtung der Fig. 1.
Das Licht 6, das man analysieren will (Fig. 1) enthält die acht Spektrallinien, deren Wellenlängen in der Fig. 2 jeweils mit λ1 bis λ8 bezeichnet sind.
Die spektrale Breite jeder dieser Linien beträgt z. B. ungefähr 0,1 nm.
In der Fig. 2 sind die Wellenlängen λ als Abszissen aufgetragen und in nm ausgedrückt, während die Lichtleistungen P als Ordinaten aufgetragen und in dB ausgedrückt sind.
Das Licht, das man demultiplexen will, wird zunächst hinsichtlich der Lichtenergie durch das Y-Verzweiger-System auf ausgeglichene Weise getrennt.
Zu diesem Thema kann man (13) konsultieren.
Jeder der Ausgänge des Y-Verzweiger-Systems umfasst ein Demultiplexing- Bragg-Gitter, das als Breitband-Reflektor dient.
Man sieht in der Fig. 2 die jeweiligen Spektraltransferfunktionen F(λi) der acht Bragg-Gitter (i = 1 bis 8), von denen jede den spektralen Entwicklungsbereich einer Linie des optischen Spektrums der eintreffenden Lichtenergie 6 enthält.
Zum Beispiel beträgt die spektrale Breite (bei -3 dB) ungefähr 3 nm.
Die Überschneidung der Bereiche, abgegrenzt durch zwei benachbarte Spektraltransferfunktionen, ist sehr gering.
Die Bragg-Gitter können photoinduziert oder photogeätzt werden.
Im Falle der Anwendung einer Photoätz- oder Photoinduktionstechnik können diese Gitter variable Perioden aufweisen ("chirped gratings" genannt).
Die Gitter mit variablen Perioden können als ein System von Gittern benachbarter Wellenlängen betrachtet werden, die in Serie angeordnet bzw. geschaltet sind.
Im Falle der Anwendung einer Photoinduktionstechnik können die Gitter photoinduziert werden unter sehr starker Fluenz, um ihre Spektralempfindlichkeit zu sättigen.
Nach einer selektiven Reflexion durch die Demultiplexing-Gitter wird jede demultiplexierte Linie zu einer Vorrichtung gesendet, die von der Nutzung abhängig ist, für die die Demultiplexing-Vorrichtung vorgesehen ist.
Nun wird die Herstellung einer Vorrichtung von der Art derjenigen der Fig. 1 auf einem Glassubstrat betrachtet.
Die Integrationstechnik auf einem solchen Substrat ist gut an die Herstellung dieser Vorrichtung angepasst.
Die angewendete Technik ist die des thermischen Austausch von Ionen des Typs Na&spplus;, K&spplus; oder Cs&spplus;, eventuell unterstützt durch ein elektrisches Feld.
Das Prinzip dieser Technik besteht darin, in dem Glas schon vorhandene alkalische Ionen, z. B. Natriumionen Na&spplus;, auszutauschen gegen andere Ionen des Typs Ag&spplus; oder Tl&spplus;, die die Wirkung haben, die Brechzahl des Glases lokal zu erhöhen.
Diese Technik ist gut bekannt und man kann zu diesem Thema die Dokumente (13) und (14) konsultieren.
Die optischen Verluste auf Grund der Faser-Leiter-Verbindung und der Dämpfung in dem Leiter wurden durch die Technik der vergrabenen Leiter stark reduziert.
Diese Technik besteht darin, unter einem elektrischen Feld einen ersten Dotierstoff in das Substrat hineindiffundieren zu lassen.
Derart erhält man Leiter, die durch quasi-kreisförmige Dotiersektionen und durch eine Mode gekennzeichnet sind, die der einer Einmodenfaser entspricht (es besteht Optimierung der Modenüberdeckung) und die längenbezogene Dämpfungen aufweisen, die auf Grund des Verschwindens bzw. Wegfallens (disparition) der Oberflächendiffusion sehr viel schwächer sind.
Diese Dämpfungen sind typischerweise niedriger als 0,1 dB/cm.
Nun wird die Herstellung einer Vorrichtung von der Art derjenigen der Fig. 1 auf einem Siliciumsubstrat betrachtet.
Die SiO&sub2;-auf-Si-Techniken (leitende Schichten aus SiO&sub2;, SiON und Si&sub3;N&sub4;) sind ebenfalls perfekt an die Herstellung einer solchen Vorrichtung angepasst.
Die in diesem Fall angewendeten Techniken beruhen auf einer
Gasphasenabscheidung (im Wesentlichen eine chemische Gasphasenabscheidung) oder eine Flammenhydrolyseabscheidung und ein reaktives Ionenätzen zur Realisierung der Muster.
Bezüglich der Gasphasenabscheidung kann man die Dokumente (15) und (16) konsultieren.
Bezüglich der Flammenhydrolyseabscheidung kann man das Dokument (17) konsultieren.
Betrachten wir das Beispiel der Siliciumdioxid-auf-Silicium-Herstellungstechnik der Leiter.
Zu diesem Thema wird auf das Dokument (15) Bezug genommen.
In diesem Fall ist das optische Substrat eine Siliciumdioxidschicht von ausreichender Dicke, um das Licht vom Silicium zu isolieren (eine Dicke von 6 um für eine Wellenlänge von 0,8 um und von 12 um für eine Wellenlänge um 1,3 um oder 1,55 um).
Die Leiterschicht ist z. B. eine mit Phosphor dotierte Siliciumdioxidschicht, deren Dicke je nach Wellenlänge in der Größenordnung von 2 um bis 5 um liegt, und die Überdeckungsschicht, oder Superstrat, entspricht dem Substrat hinsichtlich der Brechzahl und hat eine Dicke in der Größenordnung von 6 um bis 10 um.
Ein wichtiger Vorteil der auf Silicium integrierten Optik ist die Möglichkeit, simultan U- oder V-förmige. Nuten zur Positionierung der optischen Einmodenfasern ätzen zu können.
Zu diesem Thema kann man die Dokumente (15), (18) und (19) konsultieren.
Ein weiterer Vorteil der auf Silicium integrierten Optik beruht auf der Kontrolle der Neigung der Ätzflanken, um die Störreflexionen am Ende der optischen Leiter zu begrenzen, die eine Diaphonie-Ursache sind.
Nun wird die Herstellung der Demultiplexing-Bragg-Gitter betrachtet.
Wie man weiter oben gesehen hat, können diese Gitter photogeätzt oder photoinduziert werden.
Photoinduzierte Gitter mit variablen Perioden werden in den Dokumenten (26) und (27) beschrieben.
Betrachten wir die Fig. 3, in der die Transferfunktion A des der betrachteten Linie entsprechenden Bragg-Gitters und die Transferfunktion B eines dem vorhergehenden benachbarten Bragg-Gitters dargestellt ist.
In diesem Nomogramm (abaque) sind die Wellenlängen A als Abszissen aufgetragen und in nm ausgedrückt und die Lichtleitungen P sind als Ordinaten aufgetragen und in dB ausgedrückt.
Man sieht auch die Spektralentwicklungszone C der betreffenden Linie (diese beträgt z. B. ungefähr 1 nm).
In der Fig. 3 liegt die Diaphonie x in der Größenordnung von -30 dB bis -40 dB und die Wellenlängenintervalle Δλ1, Δλ2, Δλ3, Δλ4 betragen jeweils 3 nm, 1 nm, 1 nm, 1 nm.
Für jede der Linien wurde eine spektrale Demultiplexingbreite von ungefähr 3 nm gewählt (definiert bei -3 dB), wobei eine Genauigkeitsmarge einer Herstellung mittels Photoinduktion sowie eine thermische Abweichung von ±50ºC von der Umgebungstemperatur berücksichtigt worden ist.
Der spektrale Nutzraum ist dann ungefähr 50%.
Die Diaphonie hängt von der Anpassung an das Ende der optischen Fasern statt, wo die Bragg-Gitter ausgebildet sind.
Typischerweise kann eine Diaphonie von -40 dB erreicht werden, indem man jeden Leiter, der ein Bragg-Gitter umfasst, im Falle der Silicium verwendenden Technik mit einem in Bezug auf die Achse dieses Gitters angeschrägten Ende versieht, so dass das Licht, das nicht durch die Gitter selektiv reflektiert wird, in das Substrat eindringt, auf dem sie ausgebildet sind.
Im Falle der Glas verwendenden Technik kann man, damit das Licht, das nicht selektiv reflektiert wird, in das Substrat eindringt, dort Mikrolöcher anbringen, deren Achse nicht senkrecht zum Leiter ist.
Zur Herstellung der Demultiplexing-Bragg-Gitter auf dem planen Substrat sind zwei Techniken anwendbar.
Die erste Technik ist die Photoätzung, die in dem Dokument (21) beschrieben wird. Diese Technik profitiert von der Veränderung des effektiven Index, induziert längs des Leiters durch mechanisches Ätzen des Superstrats sehr nahe des Kerns (über eine Tiefe von 1 um bis 2 um.
Eine sehr dünne Photoresistschicht mit ungefähr 70 nm Dicke wird auf das Substrat aufgebracht, z. B. mit der Schleuder ("spin coating"), um eine gute Atzauflösung zu erhalten.
Diese Photoresistschicht wird anschließend belichtet mittels Strahlen im sichtbaren Bereich oder im nahen Ultraviolett (z. B. mit einem Argonlaser mit 457,9 nm, wie das Dokument (21) lehrt) mit Interferenzmustern, die von optischen Anordnungen stammen, die denen ähnlich sind, die zur Photoinduktion der Bragg-Gitter dienen.
Zu diesem Thema kann man die Dokumente (22) bis (28) konsultieren.
Nach der Entwicklung wird das Glas durch reaktives Ionenätzen geätzt, z. B. mit einem Argonstrahl in einer Trifluormethan-Atmosphäre.
Eine 80 nm dicke Aluminiumoxidschicht mit einer höheren Brechzahl als der des Siliciumdioxids wird im Allgemeinen auf der geätzten Zone abgeschieden, um die Beugungswirksamkeit des Gitters zu erhöhen, indem das Feld der Grundmode auf der geätzten Zone konzentriert wird.
Die zweite Technik ist die Photoinduktion.
Zu diesem Thema kann man die Dokumente (22) und (28) konsultieren.
Im Falle des mit Germanium dotierten Siliciumdioxids schließt das Herstellungsverfahren des Glases ein Tempern bzw. Glühen ein, welches das Glas sehr wenig photosensibel macht, indem die Strukturfehler beseitigt werden.
Die Hydrogenisierungstechnik (Tempern bzw. Glühen des Glases unter Wasserstoffatmosphäre oder Ausüben eines Drucks von mehreren Megapascal bei Umgebungstemperatur) oder die Flammenglühtechnik ermöglichen, die Photosensibilität der Substrate aus Glas oder aus Siliciumdioxid auf Silicium beträchtlich zu erhöhen.
Zu diesem Thema kann man die Dokumente (22), (23) und (24) konsultieren.
Die bevorzugte Technik des Photoinduzierens der Bragg-Gitter ist die Technik der Phasenmaske, den sie eignet sich gut für multiple Induzierungen auf einem Substrat nach den traditionellen photolithographischen Verfahren.
Die Theorie dieser Technik wird in zahlreichen Basiswerken beschrieben (s. zum Beispiel Dokument (12) S. 64).
Zu seiner Anwendung stellt man eine Maske her, die sich in Form einer Platte aus geschmolzenem Siliciumdioxid präsentiert (zum Beispiel von der Art jener, die durch die Firma CORNING unter der Bezeichnung Corning 7940 vertrieben werden), in die Rillen geätzt bzw. geritzt sind.
Diese Rillen sind periodisch, mit der Periode d = λB/N (wo λB die Wellenlänge des Gitters repräsentiert und N den effektiven Index der geleiteten Grundmode repräsentiert) und einer derartigen Länge, dass eine Phasenmodulation von n bei der Belichtungswellenlänge stattfindet, wie das Dokument (25) lehrt.
Der Belichtungslaserstrahl kann von einem Laser mit ionisiertem Argon stammen, der mit 488 nm emittiert, dessen Frequenz verdoppelt worden ist (im Innern des Laserresonators), um im ultravioletten Bereich mit 244 nm zu emittieren, oder auch von einem YAG-Nd-Laser, dessen Frequenz vervierfacht worden ist, um mit 266 nm zu emittieren.
Man kann auch einen Excimerlaser des KrF-Typs verwenden (der mit 249 nm emittiert).
Der Laserstrahl wird dann hauptsächlich gemäß zwei Ordnungen gebeugt (-1 und 1), von denen jede ungefähr 35% Energie repräsentiert, während die nullte Ordnung (die in der Praxis auf das Minimum reduziert sein muss) wenigstens 5% Energie repräsentiert.
Die von jeder Ordnung stammenden beiden kohärenten Wellen schaffen dann ein Interferenzschema der Periode Λ, das das Gitter der Wellenlänge λB = 2·N·Λ = N·d erzeugt, wo N der effektive Index der geleiteten Grundmode ist.
Die Periode des Gitters ist unabhängig von der Belichtungswellenlänge (was das Verfahren mit optischen Quellen von kleiner Kohärenzlänge wie z. B. einem KrF-Excimerlaser anwendbar macht).
Die Gitter mit variablen Perioden erhält man vorteilhafterweise durch eine Folge von mehreren Phasengittern mit konstanter Teilung.
Zu diesem Thema kann man Dokument (26) konsultieren.
Solche Phasenmasken zur Herstellung eines einzigen Gitters sind im Handel erhältlich (zum Beispiel von den Firmen Lasiris, Northern Photonics, QPS Tech).
Die Belichtungsmaske des Bauteils wird also durch mehrere dieser über die zu belichtenden Leiter verteilten Masken gebildet.
Diese Maske wird auf dem Bauteil positioniert und das Ganze (Maske und Bauteil) ist mittels Parallelverschiebung unter dem Laserstrahl mit Hilfe von Mikroverschiebungseinrichtungen (Schrittmotor) verschiebbar.
Die typische Länge eines Gitters mit variablen Perioden beträgt 5 mm bis 10 mm.
Eine größere Flexibilität bei der Wellenlängenanpassung kann vorgesehen werden, indem das Interferometrieverfahren mit zwei Wellen angewendet wird, beschrieben in den Dokumenten (27) und (28).
Nach diesem anderen Verfahren kann der Strahl von einem Farbstofflaser stammen, dessen Frequenz verdoppelt wird und der durch einen Excimerlaser des Typs XeCl gepumpt wird.
Zu diesem Thema kann man das Dokument 28 konsultieren.
Dieses andere Verfahren hat den Vorteil, die genaue Anpassung der Bragg- Abstimmwellenlängen zu ermöglichen, ohne das Interferometer zu modifizieren, indem man die Belichtungswellenlänge (von ungefähr 230 nm bis 255 nm) sehr leicht anpasst.
Kehren wir zur Fig. 1 zurück. Das Licht 6, das z. B. von Sensoren stammt, die in einer Messleitung vorhanden sind, und das durch die optische Faser 10 geleitet wird, durchläuft einen Energieseparator, der (zum Beispiel) an jedem seiner Ausgänge 8 Signale mit derselben spektralen Charakteristik liefert. Jeder Ausgang entspricht einem Zweig eines Wellenlängen-Trennverzweigers, der mit Reflexion arbeitet und die gefilterte Energie 16 in einem Leiter 14 zurückschickt. In jedem dieser Verzweiger wird ein Bragg-Gitter 12 photoinduziert, das einen getrennten Wellenlängenbereich von den anderen absondert (s. Fig. 3) und die Spektraldemultiplexingfunktion für jeden dieser in der Messleitung vorhandenen Sensor gewährleistet. Dieser Trennverzweiger kann auf zwei Arten hergestellt werden.
Bei der ersten Lösung wird ein Y-Verzweiger mit einem Bragg-Gitter 12 benutzt (vorteilhafterweise mit 100% Reflexion), das im Eingangszweig photoinduziert wird (s. Fig. 4, wo dar Verzweiger das Bezugszeichen J hat). Diese Lösung ist in dem Sinne vorteilhaft, dass die Leiteigenschaften der Y-Verzweiger sehr wenig empfindlich sind für die Polarisation und für die Wellenlänge des Lichts. So kann eine einzige Maske hergestellt werden, um das Bauteil zu realisieren, was die Herstellung sehr flexibel macht, denn es werden nur die Wellenlängen der Bragg-Gitter angepasst, um den Demultiplexer zu realisieren. Jedoch bewirkt dieser Y-Verzweiger einen optischen Verlust von 6 dB bei der Filteroperation (d. h. Ausgangssignal 8 nach Leiter 14).
Eine zweite Lösung, die ermöglicht, diesen Nachteil zu beseitigen, besteht darin, jedes Bragg-Gitter 12 (mit vorteilhafterweise 100% Reflexion) in den beiden Zweigen eines Kopplers CO zu photoinduzieren, um einen gitter-unterstützten Koppler zu bilden (s. Fig. 5). Ein solcher Koppler wird vorteilhafterweise so gewählt, dass er eine kleine Kopplungskonstante C aufweist, so dass über die Kopplungslänge Lc eine einzige Überlagerung beobachtet wird (d. h. C·Lc = π2), um ihre Abhängigkeit bezüglich der Wellenlänge und der Polarisation zu minimieren. Das Prinzip eines gitter-unterstützten Kopplers ist dann das folgende: die Kopplungslänge, das Kopplungsintervall und die Charakteristika der Leiter des Kopplers werden so gewählt, dass man einen totalen Energietransfer vom Port I zum gekoppelten Port III erhält, also 100%. Bei Vorhandensein eines in beiden Zweigen photoinduzierten Gitters (das mit Reflexion arbeitet), durchlaufen die durch das Bragg-Gitter reflektierten Wellenlängen den Koppler in umgekehrter Richtung und werden zum Port II reflektiert (so als würden sie von dem zum Port II symmetrischen Port IV kommen). Es kommt dann zu einer "Extraktion" der Signale, deren Wellenlängen solchen Wellenlängen entsprechen, die charakteristisch sind für das photoinduzierte Bragg-Gitter. Dieses Verhalten wird (beispielartig) in dem Dokument (30) beschrieben.
In beiden Fällen (Y-Verzweiger oder Bragg-Gitter-unterstützter 100%-Koppler)sind die Enden der Leiter III (Fig. 4) und und IV (Fig. 5) abgeschrägt (was in den Fig. 4 und 5 durch ovale E symbolisiert wird), um die Fresnel-Reflexionen zu unterdrücken, die Diaphonie-Verursacher sind.
Die in der vorliegenden Beschreibung genannten Dokumente sind die folgenden:
(1) W. W. Morey, UNITED TECHNOLOGY CORPORATION (USA), Distributed multiplexed optical fiber Bragg grating sensor array - s. auch US-A-4,996,419.
(2) D. R. Lyons and S. M. Reich, GRUMMAN AEROSPACE CORPORATION (USA) Optical electronic multiplexing reflection sensor system - s. auch US-A-5,191,458.
(3) P. Ferdinand et al., Mine Operating Accurate Stability Control with Optical fiber sensing and Bragg grating technology: the BRITE-EURAM STABILOS Project, OFS'94, 11.-13. Okt. 1994, Glasgow - s. auch J. Lightwave Technol., Vol. 13, Nr. 7, 1995, SS. 1303-1313.
(4) J. R. Dunphy and K. P. Falkowich, UNITED TECHNOLOGIY CORPORATION (USA), Multiplexed Bragg grating sensors - s. auch US-A-5,426,297.
(5) P. C. Clemens, G. Heise, R. Marz, H. Michel, A. Reichelt and H. W. Schneider, 8-Channel optical demultiplexer realized as SiO&sub2;/Si flat-field spectrograph, IEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 6, Nr. 9, 1994, SS.1109-1111.
(6) G. Grand, G. Palumbo, A. Fournier und P. Labeye, Réseau blazé à profil trés vertical en silice sur silicium - Application au multiplexage pour communications optiques (markiertes Gitter mit sehr vertikalem Profil aus Siliciumoxid-auf-Silicium - Anwendung für das Multiplexing bei optischen Kommunikationen), Journées Nationales d'Optique Guidée, Besançon, 1994, SS. 4-6.
(7) P. Gidon, J. P. Jadot und S. Valette, Multiplexeur-démultiplexeur utilisant un réseau concave elliptique et réalisé en optique intégrée (Multiplexer-Demultiplexer mit einem konkaven elliptischen Gitter, realisiert in integrierter Optik) EP-A-0275795 - s. auch US-A 4,786,133.
(8) B. H. Verbeek, C. H. Henry, N. A. Olsson, N. A. Orlowsky, R. F. Kazarinov and B. H. Johnson, Integrated four-channel Mach-Zehnder Multi/demultiplexer fabricated with phorphorous doped SiO&sub2; waveguides on Si, J. Of Lightwave Technol., Vol. 6, Nr. 6, 1988, SS. 1011- 1015.
(9) H. Takahashi, K. Oda, H. Toba and Y. Inoue, Transmission charakteristics of arrayed waveguide NxN wavelength multiplexer, J. Of Lightwave Technol., Vol. 13, Nr. 3, SS. 447- 455.
(10) K. Okamoto, K. Moriwaki and S. Suzuki, Fabrication of 64 · 64 arrayed-waveguide grating multiplexer on silicon, Electron. Lett., Vol. 31, Nr. 3, 1995, SS. 184-186.
(11) V. Delisle, G. Grand, A. Foumier and P. Mottier, "Reduced-size low-crosstalke PECVD silica PHASAR using widened continous bends" 8th european conference on integrated optics, ECIO'97, Stockholm, 1997.
(12) J. W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, Mc. Graw-hill.
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(15) S. Valete et al., Si-based integrated Optics Technologies, Solid State Tech., 1989, SS. 69-74.
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Claims

1. Vorrichtung zum Wellenlängen-Demultiplexen einer Vielzahl von N Spektrallinien (λ1 bis λN), die zusammen ein optisches Spektrum (6) bilden und von denen jede fähig ist, in einem bestimmten Spektralbereich zu fluktuieren, umfassend:

- einen Energie-Separator (2a, 2b, 2c) mit einem Eingang (4), dazu bestimmt, das optische Spektrum (6) zu empfangen, und eine Vielzahl N von Ausgängen (8), von denen jeder fähig ist, einen Bruchteil der Lichtenergie des optischen Spektrums zu liefern, und

- eine Vielzahl von N optischen Wellenlängenfiltern (12), von denen jedes mit einem entsprechenden Ausgang des Energie-Separators verbunden ist und ein Wellenlängen- Durchlaßband hat, das den Spektralbereich enthält, der einer der Linien (λi) zugeordnet ist, wobei jedes Filter angepasst ist, eine andere Linie (λi) zu filtern,

dadurch gekennzeichnet,

dass jedes optische Filter (12) durch einen einzigen wellenlängen-selektiven Reflektor gebildet wird, der derart angepasst ist, dass er nur eine einzige Linie (λi) des optischen Spektrums reflektiert, die für jeden selektiven Reflektor verschieden ist, und dadurch, dass jeder dieser selektiven Reflektoren (12) einer Einrichtung (14) zugeordnet ist, die die derart reflektierte Linie (λi) in eine andere Richtung als derjenigen lenkt, in der das eintreffende Licht diesen selektiven Reflektor erreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Energie-Separator ein System von kaskadenförmig aufgebauten Trennverbindungen bzw. Trennverzweigern (2a, 2b, 2c) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der jede jeder Trennverzweiger (2a, 2b, 2c) ein Einmodenverzweiger ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, bei der die Trennverzweiger bzw. Trennverbindungen Koppler sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, bei der die Trennverzweiger Y-Verzweiger sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die jedem selektiven Reflektor (12) zugeordnete Einrichtung (14) durch einen zur Ausbreitung der durch diesen Reflektor reflektierten Linie (λi) bestimmten Lichtwellenleiter gebildet wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Energie-Separator und die selektiven Reflektoren auf demselben Substrat (18) integriert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das Substrat (18) aus Glas oder aus Silicium ist.

9. Vorrichtung nach einem de Ansprüche 1 bis 8, bei der die selektiven Reflektoren Bragg-Gitter umfassen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Bragg-Gitter photoinduziert oder photogeätzt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 10, bei der die Bragg-Gitter Gitter mit variablen Perioden sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 10, bei der die Bragg-Gitter Gitter mit festen Perioden, mit maximaler Reflektivität und einer durch Photoinduktion mit sehr starker Fluenz vergrößerten Spektralempfindlichkeit sind.