DE69810225T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung der temperaturabhängigen Spektralverschiebungen in optischen Elementen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung der temperaturabhängigen Spektralverschiebungen in optischen Elementen

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Description

    Erfindungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum passiven Reduzieren der temperaturbezogenen Spektralverschiebungen bei optischen Bauelementen, wie etwa Wellenleitergitterrouter (WGR) und Wellenlängenmultiplexer (WDM).
    • Allgemeiner Stand der Technik
  • Allgemein gesprochen sind in der Vergangenheit optische Wellenlängen gemultiplext und demultiplext worden, indem eine Verbindungsvorrichtung mit mehreren eng beabstandeten Eingangswellenleitern verwendet wurde, die mit dem Eingang eines Sternkopplers kommunizieren. Der Ausgang des Sternkopplers kommuniziert mit einem optischen Gitter, das aus einer Reihe optischer Wellenleiter besteht, wobei jeder der Wellenleiter sich in seiner Länge um eine vorbestimmte Größe von seinem nächsten Nachbarn unterscheidet. Das Gitter ist an den Eingang eines zweiten Sternkopplers angeschlossen, dessen Ausgänge die Ausgänge der Vermittlungs-, Multiplex- und Demultiplexvorrichtung bilden. Beispiele derartiger Verbindungsvorrichtungen sind aus den US-Patenten 5,002,350, 5,136,671 und 5,412,,744 bekannt.
  • Die Geometrie einer derartigen Verbindungsvorrichtung kann derart sein, daß sich alle von mehreren separaten und unterschiedlichen Wellenlängen, die jeweils in einen separaten und eigenen Eingangsport der Vorrichtung eingekoppelt werden, kombinieren und an einem vorbestimmten der Ausgangsports erscheinen. Auf diese Weise erfüllt die Vorrichtung eine Multiplexierfunktion. Die gleiche Vorrichtung kann auch eine Demultiplexierfunktion durchführen. In dieser Situation wird eine Eingangswellenlänge von den anderen getrennt und zu einem vorbestimmten der Ausgangsports der Vorrichtung gelenkt. Eine entsprechende Auswahl der Eingangswellenlänge gestattet auch das Umschalten zwischen einem beliebigen ausgewählten Eingangsport zu einem beliebigen ausgewählten Ausgangsport. Diese Einrichtungen werden dementsprechend im allgemeinen als Frequenzverteileinrichtungen und insbesondere als Wellenlängenmultiplexer (WDM) bezeichnet.
  • Der Betrieb dieser optischen WGR- und WDM-Bauelemente sollte über einen großen Bereich von Umgebungsbedingungen hinweg vorhersagbar und gleichförmig sein. In der Praxis wird die Betriebsleistung derartiger Bauelemente jedoch leider erheblich durch Temperaturschwankungen der das Bauelement umgebenden Umgebung beeinflußt.
  • Insbesondere verschiebt sich das Wellenlängenspektrum existierender WGR-Designs aus mindestens zwei Gründen mit der Temperatur (T). Wenn n den Brechungsindex des Wellenleitermaterials darstellt, ist zuerst dn/dT ≠ 0 und zweitens ist die Wärmeausdehnung, d. h. dL/dT, wobei L die Länge darstellt, gleichermaßen nicht gleich Null.
  • Bisher ist bei einigen der Techniken, die zum Erzeugen optischer Bauelemente verwendet wurden, die gegenüber Temperaturänderungen weniger empfindlich sind, eine Heizvorrichtung mit einer Temperatursteuerung zum Stabilisieren des Wellenlängenspektrums des WGR verwendet worden. Ein derartiges Design ist jedoch bei Anwendungen, bei denen elektrische Leistung nicht ohne weiteres zur Verfügung steht, leider teuer und unpraktisch. Außerdem hat die Halbleitertechnik einen temperaturunempfindlichen Halbleiter WGR vorgeführt, der ein Wellenleitergebiet mit einem anderen dn/dT enthält.
  • Selbst angesichts der obenerwähnten technischen Fortschritte besteht jedoch weiterhin ein definitiver Bedarf an einem praktischen Design und Verfahren, um optische Wellenleiterfiltereinrichtungen temperaturunabhängig zu machen. Dies gilt insbesondere für kompensierende Wellenleitergitterrouter, die gegenwärtig für dichte WDM-Systeme die Multiplexer der Wahl sind. Angesichts der Tatsache, daß SiOB-Router (silicon optical bench) nun Komponenten verschiedener Next Generation Lightwave Networks (NGLN) sind und zur Verwendung in FTTH-Zugangsnetzen (FTTH = Fibre-to-the Home = Glasfaser bis ins Haus) geplant sind, sind des weiteren temperaturkompensierende optische Bauelemente wie WGRs für diese Netze höchst wünschenswert.
  • Ein athermischer Siliziumoxid-basierter Arrayed- Wellenleitergitter-(AWG)-Multiplexer wird von Y. Inoue und anderen in ECOC 97, 22.-25. September 1997, Conference Publication Nr. 448, auf den Seiten 33-36 offenbart. Die temperaturabhängige Lichtwegdifferenz bei den Siliziumoxid-basierten Arrayed-Wellenleitern wird durch eine dreieckige Nut kompensiert, die mit einem Silikonklebstoff mit einem negativen Wärmekoeffizienten gefüllt ist. Die Nut kann durch Reaktives Ionenätzen ausgebildet werden, welches der gleiche Prozeß ist, der zum Strukturieren des Kerns verwendet wird.
    • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Ein Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 6 dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung lassen sich ohne weiteres aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ihrer spezifischen Ausführungsformen bei Lektüre in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es zeigen:
  • Fig. 1a eine Querschnittsansicht eines grundlegenden optischen Bauelements mit mehreren Wellenleitern;
  • Fig. 1b eine Querschnittsansicht der Länge eines Wellenleiters, in den die Aspekte der vorliegenden Erfindung integriert sind;
  • Fig. 2 eine graphische Darstellung, die einen Teil der Übertragungskoeffizienten für ein optisches Bauelement von Fig. 1 bei zwei verschiedenen Temperaturen T&sub1; und T&sub2; zeigt;
  • Fig. 3 ein Beispiel für eine herkömmliche optische Frequenzverteileinrichtung;
  • Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Übertragungskoeffizienten Tik für die Verteileinrichtung von Fig. 1 zeigt; und
  • Fig. 5 ein Design von optischen Frequenzverteileinrichtungen, das die neuartigen Attribute der vorliegenden Erfindung verwendet.
    • Ausführliche Beschreibung
  • Die vorliegende Erfindung lehrt eine neuartige Technik zum Reduzieren der temperaturbezogenen Spektralverschiebungen in optischen Bauelementen, insbesondere Wellenleitergitterroutern (WGR). Die vorliegende Erfindung modifiziert allgemein einen Teil der Länge mindestens eines Wellenleiters innerhalb eines optischen Bauelements derart, daß das dort hindurchtretende Wellenlängenspektrum selbst dann stabilisiert wird, wenn es Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Bevor die neuartigen Aspekte der vorliegenden Erfindung spezifisch angesprochen werden, ist jedoch eine kurze Erörterung vorgesehen, um die grundlegende Struktur in der üblichen Art von optischem Bauelement darzulegen, die durch Integrieren der Aspekte der vorliegenden Erfindung verbessert werden kann.
  • Die planaren Wellenleiter, die am weitesten fortgeschritten und technisch entwickelt sind, sind mit SiOB-Technologie (silicon optical bench) hergestellte dotierte Siliziumoxidwellenleiter. Ein dotierter Siliziumoxidwellenleiter wird üblicherweise bevorzugt, da er eine Reihe attraktive Eigenschaften aufweist, einschließlich geringer Kosten, geringer Verlust, geringe Doppelbrechung, Stabilität und Kompatibilität zum Ankoppeln an eine Faser. Weiterhin sind die Verarbeitungsschritte mit denen in der integrierten Siliziumschaltungstechnik (IC), die für die Massenproduktion ausgelegt und bereits bekannt sind, kompatibel.
  • Ein dotierter Siliziumoxidwellenleiter wird allgemein ausgebildet, indem anfänglich eine untere oder Basiscladdingschicht aus Siliziumoxid mit einem niedrigen Index auf einem Trägersubstrat abgeschieden wird, das in der Regel aus Silizium oder Siliziumoxid besteht. Dann wird eine Schicht aus dotiertem Siliziumoxid mit einem hohen Brechungsindex, d. h. die Kernschicht, auf der unteren Claddingschicht abgeschieden. Daraufhin wird die Kernschicht zu Strukturen strukturiert oder geformt, die von den optischen Schaltungen gefordert werden, wobei photolithographische Techniken verwendet werden, die denen ähneln, die in der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet werden. Schließlich wird eine obere Claddingschicht abgeschieden, um den strukturierten Wellenleiterkern zu bedecken. Diese Technologie ist allgemein in dem an C. H. Henry et al., erteilten US-Patent Nr. 4,902,086 und in einem Artikel mit dem Titel "Glass Waveguides on Silicon for Hybrid Optical Packaging" auf Seiten 1530-1539 des Journal of Lightwave Technology, Band 7, Nr. 10, Oktober 1989 beschrieben, die durch Bezugnahme hiermit beide aufgenommen sind.
  • Kritisch für die Leistung jedes planaren optischen Wellenleiters sind die Wellenleiterabmessungen, d. h. die Höhe und Breite des Wellenleiterkerns, und die Brechungsdifferenz des Brechungsindexes zwischen dem Kern und dem Cladding des Wellenleiters, allgemein als Δ bezeichnet. Die Höhe oder Dicke des Kerns wird durch die Menge an auf einem Trägersubstrat abgeschiedenen Kernmaterial bestimmt, und die Breite des Kerns wird durch die photolithographische Maske bestimmt und durch chemisches Atzen hinterschnitten. Das des Wellenleiters wird meist durch das Materialsystem und den Herstellungsprozeß bestimmt. In der Praxis werden für verschiedene Arten von Funktionen verschiedene Wellenleiterstrukturen und -systeme verwendet, und zur Optimierung verschiedener Aspekte der optischen Leistung werden an den Kernabmessungen und Kompromisse vorgenommen.
  • Beispielhaft werden P-dotierte Wellenleiter in der vorliegenden Erfindung verwendet, die jeweils einen Kern aufweisen, dessen Dicke etwa 7 um beträgt und die jeweils auf einer 15 um unteren Claddingschicht ruhen. Eine 15 um obere Claddingschicht bedeckt die Wellenleiterkerne. Die Abmessungen der Wellenleiterkerne sind so gewählt, daß sie für einen starken optischen Einschluß und einen geringen Ausbreitungsverlust so groß wie möglich sind, aber klein genug, daß die Wellenleiter Einmodenwellenleiter bleiben. Analog weisen die Siliziumoxidwege, die den Übergangsbereich umfasen, Kerne mit einer Höhe von etwa 7 um auf, doch variieren ihre Breiten zwischen etwa 18 um (in der Nähe des Kristallkörpers) und etwa 2 um (entfernt vom Kristallkörper).
  • Nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein Querschnitt durch ein optisches Bauelement gezeigt, um seine Abmessungen und Materialien in dem Bereich darzustellen, wo Wellenleiter vorliegen. Das Substrat 10 besteht aus Silizium mit einer Dicke von 500 um. Das Cladding 12 besteht aus einer 15 um Schicht aus Siliziumoxid mit einem Brechungsindex von etwa 1,445 bei einer Wellenlänge (λ) von 1,55 um. Die Wellenleiterkerne 14 sind allgemein quadratisch, weisen eine Dicke und Breite von etwa 7 um auf und bestehen aus dotiertem Siliziumoxid mit einem Brechungsindex von etwa 1,454 bei λ = 1,55 um. Der Abstand zwischen den Wellenleiterkernen 14 beträgt etwa 2,5 um. Die Tatsache, daß das Kernmaterial einen höheren Brechungsindex als das Claddingmaterial aufweist, ermöglicht den Kernen, gemäß dem Snelliusschen Gesetz Lichtwellen zu führen. Die Claddingschicht 16, die vom Brechungsindex her der Claddingschicht 12 im wesentlichen gleicht, wird auf den Kernen 14 abgeschieden, um die Struktur fertigzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung legt eine neuartige Designänderung bei der Struktur optischer Bauelemente dar und beansprucht diese, die bewirkt, daß diese Bauelemente wesentlich weniger temperaturempfindlich als existierende Designs sind. Insbesondere erübrigen sich durch die hier beschriebenen Designänderungen die inhärenten Verschiebungen des Wellenlängenspektrums der optischen Bauelemente, die bei Temperaturschwankungen auftreten. Die vorliegende Erfindung betrifft mit anderen Worten allgemein einen optischen Wellenleiter, der das Attribut aufweist, bei seiner Fähigkeit zum Übertragen von Lichtenergie temperaturunabhängig zu sein.
  • Wie weiter oben angemerkt, verschiebt sich das Wellenlängenspektrum optischer Bauelemente, insbesondere WGRs und WDMs, aus mindestens zwei Gründen bei Temperaturschwankungen (T). Wenn n den Brechungsindex des Wellenleitermaterials darstellt, ist zuerst dn/dT ≠ 0 und zweitens ist die Wärmeausdehnung, d. h. dL/dT, wobei L die Länge darstellt, gleichermaßen nicht gleich Null. Mit anderen Worten ist die Rate, mit der sich der Brechungsindex bei Temperaturschwankungen ändert, eine gegebene Charakteristik dieses Materials. So weist beispielsweise Siliziumoxid, das üblicherweise bei der Herstellung von Wellenleitern in optischen Bauelementen verwendet wird, einen dn/dT-Wert gleich etwa 1,1 · 10&supmin;&sup5; I/ºC auf.
  • Fig. 2 veranschaulicht allgemein den Effekt, den Temperaturschwankungen auf die Übertragungskoeffizienten eines optischen Signals haben können. Wenn die Temperatur von T&sub1; auf T&sub2; ansteigt, dann bewegt sich der Übertragungskoeffizient wie gezeigt um einen bestimmten Betrag an Wellenlänge λ nach rechts. Anders ausgedrückt bewirkt eine Temperaturzunahme eine Verschiebung des Wellenlängenspektrums nach oben zu einer höheren Wellenlänge.
  • Auf der Grundlage der oben angeführten Tatsachen erkannten die Erfinder der vorliegenden Erfindung, daß die Reaktion der Bauelemente auf Temperaturschwankungen durch die Charakteristiken des jeweiligen Materials gesteuert oder diktiert wird, mit dem die Wellenleiter erzeugt werden, nämlich Siliziumoxid. Noch wichtiger ist, daß die Erfinder der vorliegenden Erfindung feststellten, daß andere Materialien existieren, die optimale Leistungswerte ähnlich Siliziumoxid liefern können und gleichzeitig wünschenswertere Reaktionen auf Temperaturschwankungen aufweisen. Um das Problem temperaturbezogener Spektralverschiebungen in optischen Bauelementen spezifisch anzusprechen, erkannten die Erfinder, daß ausgewählte Teile von einem oder mehreren Wellenleitern aus einem anderen Material als der übrige Teil dieses Wellenleiters hergestellt werden könnten, um Charakteristiken dieses Wellenleiters, die üblicherweise temperaturempfindlich sind, steuerbar zu kompensieren.
  • Insbesondere wurden elastomere Materialien oder Elastomere untersucht, da sie bei Kommunikationswellenlängen einen geringen optischen Verlust und Brechungsindizes aufweisen, die recht nahe an denen von Siliziumoxid liegen. Über diese Faktoren hinaus besitzen Elastomere eine andere interessante Eigenschaft, nämlich daß sich ihr Brechungsindex allgemein sehr schnell mit der Temperatur ändert und wie dies zu den Charakteristiken von Siliziumoxid in Beziehung steht. Ein spezifisches Elastomer, nämlich das von General Electric oder Dow Corning hergestellte RFX-36HN, weist einen Brechungsindex auf, der sich bei Temperaturanstieg um eine Größe ändert, die ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweist und etwa 30mal größer ist als die von Siliziumoxid. Da der Brechungsindex des Elastomers in einer Richtung auf Temperaturschwankungen reagiert, die der des typischen Wellenleitermaterials Siliziumoxid entgegengesetzt ist, sollte in den längeren Wellenleitern des Gitters mehr Elastomer verwendet werden, um für jeden der Wellenleiter in dem optischen Bauelement eine gleichförmige Reaktion oder Kompensation für Temperaturschwankungen sicherzustellen.
  • Gemäß den obigen Prinzipien beschreibt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein optisches Bauelement wie etwa einen WGR, bei dem nicht die ganze Länge jedes Wellenleiterkerngebiets aus einem konstanten Material wie Siliziumoxid hergestellt ist, sondern stattdessen einen Teil mindestens eines Wellenleiters hauptsächlich aus einem anderen Material herstellt. Das andere Material ist genauer gesagt so ausgewählt, daß es einen Brechungsindex aufweist, der sich mit Temperaturschwankungen mit einer anderen Rate ändert als der gegebenen Änderungsrate für das Material des übrigen Teils dieses Gitterwellenleiters. Wenn ein Material ausgewählt wird, dessen Brechungsindex auf Temperaturschwankungen in einer Richtung reagiert, die der des Materials des verbleibenden Wellenleiterkerns entgegengesetzt ist, kann man weiterhin unterschiedliche Mengen der beiden verschiedenen Materialien verwenden, um alle Temperaturschwankungen effektiv kompensieren zu können.
  • Fig. 3 zeigt die wichtigsten Einzelheiten einer herkömmlichen Frequenzverteileinrichtung. Die Frequenzverteileinrichtung enthält mehrere Eingangswellenleiter 2i, i = 1, 2, ..., N, die an ein Freiraumgebiet 100 angeschlossen sind. Mehrere Ausgangswellenleiter 110 erstrecken sich von dem Freiraumgebiet 100 aus und sind an ein optisches Gitter 120 angeschlossen. Das optische Gitter 120 umfaßt mehrere ungleich lange Wellenleiter, die einer entsprechenden Vielzahl von an ein anderes Freiraumgebiet 140 angeschlossenen Eingangswellenleitern 130 eine vorbestimmte Menge an Weglängendifferenz geben. Das Freiraumgebiet 140 ist an mehrere Ausgangswellenleiter 4k angeschlossen, k = 1, 2, ..., N.
  • In der Praxis können diese Frequenzverteileinrichtungen als Multiplexer und/oder Demultiplexer optischer Frequenzen arbeiten. Falls beispielsweise ein Signal mit der Amplitude A an einen Eingangswellenleiter 21 angelegt wird, dann werden an den Ausgangswellenleitern Signale mit den Amplituden AT&sub1;&sub1;, AT&sub1;&sub2;, ... AT1N erzeugt, wobei Tik der Wert des Übertragungskoeffizienten für den Eingangswellenleiter 21 und Ausgangswellenleiter 4k ist. Weitere Einzelheiten hinsichtlich dieser Verteileinrichtungen findet man in den obenerwähnten Patenten, die durch Bezugnahme hier ausdrücklich aufgenommen sind.
  • Das typische Verhalten der in Fig. 3 gezeigten Verteileinrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Diese Figur zeigt den Satz von Übertragungskoeffizienten T1k für die Verteileinrichtung für den jeweiligen Eingangswellenleiter 2&sub1; als Funktion der Wellenlänge λ.
  • Die Schwankung jedes Übertragungskoeffizienten als Funktion der Wellenlänge ist im wesentlichen periodisch mit einer Periode X&sub0;. Bei einer symmetrischen Anordnung, bei der die Eingangs- und Ausgangswellenleiter innerhalb des Blickfelds der Einrichtung gleichförmig positioniert sind (d. h. in der Brillouin-Zone), ist X&sub0; gegeben durch
  • X&sub0; = N·S (1)
  • wobei N die Gesamtzahl der Eingangswellenleiter (oder Ausgangswellenleiter) und S der Kanalabstand ist, der als der Wellenlangenabstand zwischen maximalen Spitzen benachbarter Übertragungskoeffizienten definiert ist (siehe Fig. 4). Die Wellenlange λ&sub0; ist eine Wellenlange, die einem Maximalwert für einen der Übertragungskoeffizienten Tik entspricht. In Fig. 3 entspricht λ&sub0; einem Maximum des Koeffizienten T&sub1;&sub1;. Alle anderen Wellenlängen maximaler Übertragung λik für die verschiedenen Koeffizienten Tik unterscheiden sich von λ&sub0; im wesentlichen durch Mehrfache von S und sind deshalb gegeben durch den Ausdruck
  • λik = λ&sub0; + (i - k + q·N)S (2)
  • wobei die ganzen Zahlen i, k = 1, ..., N die Stellen der Eingangs- und Ausgangswellenleiter spezifizieren, q eine ganze Zahl und λ&sub0; eine Wellenlange maximaler Übertragung für die Wellenleiter I = k = 1 ist. Die Wellenlange λ&sub0; wird als die Multiplexermittenwellenlänge bezeichnet. Der Parameter X ist wie folgt definiert:
  • X = λ - [λ&sub0; + (i - k + q·N]S/] = λ - λik (3)
  • Die Übertragungskoeffizienten weisen ein im wesentlichen identisches Verhalten auf und werden deshalb durch die gleiche Funktion T(X) beschrieben. Somit ergeben alle einem bestimmten Eingangswellenleiter entsprechenden Übertragungskoeffizienten ein Array aus gleich beabstandeten Übertragungsspitzen wie in Fig. 4 gezeigt. Der Abstand benachbarter Spitzen ist gleich dem Kanalabstand S.
  • Fig. 5 zeigt ein Design, das veranschaulicht, wie ein temperaturunabhängiges optisches Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann.
  • Als Beispiel dafür, wie das elastomere Material in den oder die ausgewählten Wellenleiter integriert werden kann, zeigt Fig. 5 eine variierende Anzahl relativ kleiner Blöcke aus elastomerem Material, die in dem ausgewählten Wellenleiterweg angeordnet sind. Wie gezeigt, kann insbesondere der gezeigte längste Wellenleiter (oben) sieben derartige elastomere Blöcke enthalten, der gezeigte zweitlängste (der zweite von oben) kann sechs derartige elastomere Blöcke enthalten, der gezeigte drittlängste (der dritte von oben) kann fünf derartige elastomere Blöcke enthalten, usw., bis der gezeigte kürzeste volle Wellenleiter (der siebte von oben) einen derartigen elastomeren Block enthalten kann.
  • Es ist jedoch wichtig anzumerken, daß die in einem jeweiligen Wellenleiter verwendete präzise Anzahl und/oder Größe von elastomeren Blöcken eine Frage der Auswahl beim Design ist und daß Fig. 5 keine präzisen maßstabsgetreuen Zeichnungen darstellt. Am wichtigsten ist, daß obwohl gemäß der vorliegenden Erfindung jede beliebige Zahlenfolge elastomerer Blöcke verwendet werden kann, d. h. 1, 2, 3, 4, ... oder 2, 4, 6, 8, ... oder 3, 6, 9, ..., die Aufgabe darin besteht, zwischen der Gesamtlänge der kombinierten elastomeren Blöcke und der Gesamtlänge des zugeordneten Wellenleiters eine lineare Beziehung aufrechtzuerhalten. Anders ausgedrückt sollte die prozentuale Zunahme der Länge von einem Wellenleiter zu einem benachbarten Wellenleiter von einer ähnlichen Zunahme bei der Menge an elastomerem Material begleitet werden, die in jedem dieser beiden Wellenleiter verwendet wird.
  • Indem das Bauelement auf diese Weise ausgelegt wird, kann die ausgewählte Anzahl elastomerer Blöcke steuerbar in dem gewünschten Wellenleiterweg positioniert werden. Insbesondere wäre an einem bestimmten Verfahren zur Herstellung dieses Designs jeder der oben dargelegten Schritte beteiligt, gefolgt von dem Wegätzen des Cladding 16 und des Kernmaterials 14 von dem Bauelement bis auf die Substratschicht 12.
  • Zur deutlicheren Veranschaulichung dieses Designs zeigt Fig. 1b) eine Querschnittsansicht entlang der Länge eines Wellenleiters. Wie gezeigt ist ein Teil sowohl des Claddings 16 als auch des Kernmaterials 14 durch elastomeres Material 20 ersetzt worden. Weiterhin kann ein zusätzlicher Schritt enthalten sein, durch den der Teil des elastomeren Materials 20 neben dem oberen Cladding 16 weggeätzt und durch mehr Claddingmaterial ersetzt wird.
  • Bei der Implementierung des oben belegten Designs mit elastomeren Blöcken können typische Größen für einige der in herkömmlichen optischen Bauelementen verwendeten Blöcke etwa 3 um betragen. Auf der Grundlage einer beispielhaften Struktur mit etwa 100 Gitterwellenleitern (anstelle der sieben vollständig dargestellten) würde innerhalb der Gesamtlänge des längsten Wellenleiters anstelle des Basiswellenleitermaterials wie etwa Siliziumoxid insgesamt etwa 300 um an elastomerem Material vorliegen. Gemäß diesem Beispiel würde gleichermaßen einer der kürzeren Wellenleiter entlang seiner Länge etwa 3 um an elastomerem Material enthalten. Obwohl hier bestimmte Zahlen angegeben sind, sollte man insgesamt verstehen, daß die verwendeten spezifischen Werte je nach dem genauen Design und der genauen Art des modifizierten optischen Bauelements sowie der erwarteten Umgebung, in der das Bauelement arbeiten wird, erheblich schwanken können, aber dennoch innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden können.
  • Zur eigentlichen Berechnung des Umfangs der erzielten oder kompensierten Wellenleiterverschiebung sollte man sich zuerst daran erinnern, daß der Brechungsindex des oben beschriebenen jeweiligen Elastomers in der entgegengesetzten Richtung wie der von Siliziumoxid verschiebt, wenn es Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, und außerdem etwa 30fach stärker. Weiterhin ist die Gesamtlänge des einen oder der mehreren Abschnitte aus elastomerem Material gegeben durch
  • wobei L das Inkrement der Länge des benachbarten trennenden Wellenleiters ist, i die Indexzahl der Gitterwellenleiter ist, I = 1 für den kürzesten Wellenleiter, I = 2 für den nächsten Wellenleiter usw.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich abschließend mit der Notwendigkeit zur Bereitstellung eines passiven optischen Bauelements, dessen Betrieb von etwaigen Temperaturschwankungen, denen es möglicherweise ausgesetzt ist, im wesentlichen unabhängig ist. Wenn man weiß, wie sich der Brechungsindex eines bestimmten Materials bei Temperaturschwankungen ändert, im Vergleich zu der Art und Weise, wie sich der Brechungsindex üblicher Wellenleitermaterialien, wie etwa einem Siliziumoxid, mit Temperaturschwankungen ändert, kann man die Lehren der vorliegenden Erfindung dazu einsetzen, den Charakter des optischen Wegs, über den sich ein Signal ausbreitet, präzise zu modifizieren und eine etwaige Wellenlängenspektralverschiebung, die ansonsten auftreten könnte, vollständig zu kompensieren. Mit anderen Worten stelle man ein optisches Bauelement mit mehreren Wellenleitern bereit, die jeweils entsprechend modifiziert sind, so daß jedes dort hindurchgehende optische Signal bei beliebigen zwei gegebenen Temperaturen die gleiche Wellenlänge aufweist.
  • Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Anordnungen die Erfindung lediglich veranschaulichen. Der Fachmann kann sich andere Anordnungen ausdenken, die die Erfindung, wie sie beansprucht wird, verkörpern. Insbesondere können auch Mach-Zehnder- Interferometer, Bragg-Filter und/oder optische Fourier- Filter von den Aspekten der vorliegenden Erfindung profitieren.

Claims (7)

1. Optisches Bauelement mit mehreren Lichtwellenleitern und mindestens einen Wellenleiter umfassend, der durch ein Kerngebiet mit ersten und zweiten Abschnitten (14, 20) definiert wird, die in Reihe geschaltet und in der Lage sind. Lichtenergie zu übertragen, wobei der erste Abschnitt (14) des Kerngebiets eine erste Länge aus einem Material umfaßt, dessen Brechungsindex mit der Temperatur ansteigt; wobei der mindestens eine Wellenleiter dadurch temperaturkompensierend wirkt, daß der zweite Abschnitt (20) des Kerngebiets eine zweite Länge aus einem Material umfaßt, dessen Brechungsindex mit zunehmender Temperatur abnimmt; dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wellenleiter mehrere erste Abschnitte (14) und mehrere zweite Abschnitte (20) umfaßt, wobei jeder zweite Abschnitt zwischen einem anderen Paar erster Abschnitte angeordnet ist, und daß das Kerngebiet von einem Cladding (16) umgeben ist, das die Lichtenergie im wesentlichen im Kerngebiet einschließt.
2. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt (14) des Kerngebiets aus Siliziumoxid besteht.
3. Optisches Bauelement nach Anspruch 2, wobei der zweite Abschnitt (20) des Kerngebiets aus einem elastomeren Material besteht.
4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich der Brechungsindex des elastomeren Materials bei Temperaturschwankungen mit einer Rate zwischen dem etwa -10fachen und dem etwa -40fachen von der von Siliziumoxid ändert.
5. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements, mit den folgenden Schritten:
Festlegen eines Wellenleiters, der durch ein Kerngebiet mit ersten und zweiten Abschnitten (14, 20) definiert ist, die in Reihe geschaltet und in der Lage sind. Lichtenergie zu übertragen, wobei das Kerngebiet anfänglich eine Länge aus einem ersten Material umfaßt, dessen Brechungsindex mit der Temperatur ansteigt; wobei der Wellenleiter dadurch temperaturkompensierend gemacht wird, daß ein Teil des Materials des Kerngebiets weggeätzt und durch ein zweites Material (20) ersetzt wird, dessen Brechungsindex mit zunehmender Temperatur abnimmt;
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Teile des Materials des Kerns (14) weggeätzt und durch das zweite Material (20) ersetzt werden, wodurch sie die ersten und zweiten Abschnitte bilden, und daß das Kerngebiet von einem Cladding (16) umgeben ist, das die Lichtenergie im wesentlichen im Kerngebiet einschließt.
6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste Abschnitt (14) des Kerngebiets aus Siliziumoxid besteht.
7. Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der zweite Abschnitt (20) des Kerngebiets aus einem elastomeren Material besteht.
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