WO1999056160A2 - Configuration for optically isolating a plurality of optical waveguides - Google Patents

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WO1999056160A2
WO1999056160A2 PCT/DE1999/001260 DE9901260W WO9956160A2 WO 1999056160 A2 WO1999056160 A2 WO 1999056160A2 DE 9901260 W DE9901260 W DE 9901260W WO 9956160 A2 WO9956160 A2 WO 9956160A2
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Rudolf Moosburger
Klaus Petermann
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Infineon Technologies Ag
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths

Definitions

  • the invention is in the field of integrated optical components, the integral components of which include several optical fibers.
  • the optical waveguides can in turn be part of electro-optical or optical components, for example switching devices.
  • connection made of film waveguide material between the optical waveguides are initially to be taken into account with a view to simple manufacture.
  • the lateral connection of the optical waveguides through the intermediate areas of the film waveguide material is necessary for a single-mode waveguide.
  • reflections occurred at the interruption boundary surfaces which led to a mode influence and which undesirably made the radiation carried within the optical waveguides multimode.
  • multi-mode structures are not tolerable, for example, in the case of optical components which depend on emmode conditions.
  • the object of the invention is to provide a simple arrangement for the optical isolation of a plurality of optical waveguides which are designed as integral useful light-guiding regions in a film waveguide with horizontal boundary surfaces, undesired scattered light between the optical waveguides being strongly attenuated and as independent of their polarization as possible.
  • this object is achieved by an arrangement for the optical isolation of a plurality of optical waveguides, which act as integral areas guiding the useful light in a film waveguide. are formed with horizontal boundary surfaces, at least one wave-absorbing layer being applied between the useful light-guiding regions on at least one of the horizontal boundary surfaces of the film waveguide.
  • the useful light-guiding region of the film waveguide can be defined by various measures.
  • the vertical wave guidance is realized by the film waveguide structure or the boundary layers of the waveguide structure.
  • the area guiding the useful light can, for example, be designed as a raised rib of the film waveguide material.
  • it is also possible to create the useful light-guiding regions by diffusing m the film waveguide material in these areas with substances of higher refractive index.
  • the areas carrying useful light could also be designed as so-called strip-loaded waveguides, in that a strip of a material with a higher refractive index than the refractive index of the film waveguide material is applied to the areas of the film waveguide intended for useful light guidance.
  • An important advantage of the invention is that the existing lateral connection of the useful light-guiding regions (optical waveguides) no longer has a negative effect on the transmission behavior and / or the functional behavior of the optical waveguides or the optical components (comprising the optical waveguides).
  • Another essential advantage of the invention is that scattered light that arises is eliminated directly at the point of origin - ie laterally next to the optical waveguides - by absorption. As a result, the scattered light can indeed enter the intermediate regions which are lossy as a result of the absorbing layer, without jerk reflection - and thus without undesirable influencing of the mode. couple. However, the scattered light is then absorbed at the boundary surface (s) provided with the absorbing layer before it can reach neighboring useful light-guiding regions. Significant damping is possible in an extremely small way, which enables a high integration density of the optical waveguide arrangement.
  • transversely electrically polarized light TE light
  • TM light transversely magnetically polarized light
  • the thickness of the wave-absorbing layer is smaller than the depth of penetration of the light m the layer.
  • the specification of the penetration depth which is common in technical optics, is based essentially on the intensity profile of the light emitted.
  • penetration depth is to be understood as approximately the depth after which light has decayed from an original intensity e to the value 1 / e.
  • This dimensioning of the layer thickness has proven to be particularly advantageous in practical tests because the boundary layer is also penetrated by the field of electrically polarized scattered light. There- with higher field amplitudes occur within the subsequent wave-absorbing layer, on which the absorbing layer can act with a correspondingly stronger vaporization of the TE scattered light.
  • the thickness of the wave-absorbing layer is dimensioned such that the vaporization is the same for transversely electrical and for transversely magnetically polarized light.
  • the layer thickness required for this can be determined in the context of normal routine tests for almost every material pairing of film waveguide material and the layer material which absorbs the layers.
  • the wave-absorbing layer can basically z. B. consist of a dielectric, a ceramic or for example a polymer (e.g. graphite resin).
  • a metal layer as a wave-absorbing layer is particularly preferred because metal layers can be applied relatively thinly and in a manner that is easy to control in terms of production technology.
  • substrates with low refractive indices e.g. polymer or glass with refractive indices of approximately 1.5
  • the use of titanium or chromium as a wave-absorbing layer has proven to be particularly advantageous.
  • layer thicknesses of 5 to 50 nm, in particular 10 to 20 nm, have proven to be advantageous.
  • FIG. 1 shows an arrangement according to the invention in cross section
  • FIG. 2 shows the damping exerted on scattered light as a function the thickness of a metal layer
  • the arrangement comprises a film waveguide 1 which, for example, consists of a polymer, preferably benzocyclobutene (BCB).
  • the film waveguide can be coated with a suitable cladding layer (Claddmg), for example SiO 2 , on its upper boundary surface 2 and / or on its lower boundary surface 3.
  • a suitable cladding layer for example SiO 2
  • the use of such coatings is based on the refractive index of film waveguide material and the material connected to it.
  • the film waveguide is applied to a silicon substrate 5, the upper layer 6 of which is provided with the aforementioned silicon oxide layer 7 (lower cladding layer) by oxidation.
  • the silicon substrate as a whole could also be designed as a suitable glass (Si0 2 ) or polymer.
  • the upper horizontal boundary surface 2 of the film waveguide could be provided with a further cover layer in a known manner in order to avoid excessive refractive index jumps from the film waveguide material, for example to the ambient air 8.
  • the film waveguide 1 has a multiplicity of useful light-guiding regions which serve as optical waveguides.
  • FIG 1 only two such useful light-guiding areas 12, 14 are shown.
  • the vertical wave guidance in the areas guiding the useful light takes place through the film waveguide structure, ie the film waveguide layer 1 and the cover layers above or below it with a lower refractive index.
  • the useful light is guided laterally in the regions 12, 14 by shaping a rib R from the film waveguide material.
  • the rib R can have a height of 10 ⁇ m, for example, while the remaining film waveguide material has a layer thickness of 5 ⁇ m.
  • the shaft guide can also in a known manner by a corresponding locally increased refractive index of the
  • Film waveguide material can be formed in the useful light-guiding areas.
  • scattered light 20 could spread laterally in the intermediate or connection areas 15, 16, 17 made of film waveguide material between the useful light-guiding areas 12, 14 and further optical waveguides, not shown, and could lead to faults in adjacent useful light-guiding areas.
  • This risk of interference is only indicated for clarification in FIG. 1 by hatching the area 12 carrying the useful light.
  • the areas 12, 14 are optically too isolated to eliminate the risk of malfunction.
  • at least one wave-absorbing layer 22, 23, 24 is applied between the areas guiding the useful light (e.g. 12, 14) on a horizontal boundary surface 3 of the film waveguide 1, namely in the exemplary embodiment of the lower one.
  • the absorbing layer 22, 23, 24 is applied directly to the film waveguide material immediately next to the optical waveguides 12, 14, the scattered light 20 generated at the waveguides 12, 14 can couple into the intermediate regions 15, 16, 17, but will then absorbed at the interface 3 by the respective layer 22, 23, 24 before it can reach adjacent optical waveguides.
  • the absorbent layer can additionally or alternatively be applied to the upper horizontal boundary surface 2, with an additional cover layer possibly having to be applied to the boundary surface 2 or the absorbent layer in view of possible excessive jumps in refractive index.
  • the arrangement shown in FIG. 1 is particularly advantageous.
  • wave-absorbing layers can be applied to both the lower 3 and the upper horizontal boundary surface 2.
  • the thickness of the wave-absorbing layers 22, 23, 24 is smaller than the depth of penetration of the light into the layer.
  • the wave-absorbing layer consists of titanium and has a thickness of 5 to 100 nm, preferably 10 to 20 nm.
  • the layer (e.g. 15) is particularly preferably designed such that both polarizations (TE light and TM light) found in the scattered light 20 show the lowest possible reflection behavior at the transition into the layer 15 and are vaporized as uniformly as possible. It should be taken into account that TE light is still well reflected at almost all boundary surfaces when it is incident at flat angles. With a large layer thickness, this would in principle lead to poorer vaporization of TE-polarized scattered light.
  • the absorbent layer should therefore be formed as thin as possible, but the attenuation effect on TM-polarized light decreases as the layer thickness decreases.
  • the correlations shown in each case result in an optimal layer thickness OSD to be aimed for, which is characterized by an approximately the same Damping behavior for TE and TM polarized scattered light is characterized.
  • This layer thickness OSD is in the range between 10 and 20 nm, in the specific exemplary embodiment approximately 13 nm.
  • the boundary layer 3 (FIG. 1) is sufficiently penetrated by the field of the scattered light that, due to the field amplitudes within the absorbing layer 23, the TE scattered light is also attenuated sufficiently strongly and approximately the same as the TM scattered light becomes.

Abstract

A plurality of optical waveguides are configured as integrated useful light guiding regions (12, 14) in a film waveguide (1). At least one wave absorbing layer (23) is placed between the regions (12, 14) on at least one horizontal limiting surface (3) of the film waveguide (1) in order to optically isolate the regions (12, 14) from one another.

Description

Beschreibungdescription
Anordnung zur optischen Isolation mehrerer LichtwellenleiterArrangement for the optical isolation of several optical fibers
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet integrierter optischer Bauteile, zu deren integralen Bestandteilen mehrere Lichtwellenleiter gehören. Die Lichtwellenleiter können ihrerseits Bestandteil elektrooptischer oder optischer Komponenten, beispielsweise Schalteinrichtungen, sein.The invention is in the field of integrated optical components, the integral components of which include several optical fibers. The optical waveguides can in turn be part of electro-optical or optical components, for example switching devices.
Bei auf der Basis von Streifen- oder Filmwellenleitern gebildeten integriert optischen Bauteilen kann es durch vagabundierendes Streulicht zu unerwünschten Nebensprecheffekten benachbarter Lichtwellenleiter und damit zu einer Bee ntrachti- gung der Ubertragungsqualitat oder der Funktionalität der die jeweiligen Lichtwellenleiter umfassenden Komponenten kommen. Diese Problematik tritt beispielsweise bei integrierten Schalter- atrixanordnungen auf.In the case of integrated optical components which are formed on the basis of strip or film waveguides, stray light scattering can lead to undesired crosstalk effects from neighboring optical waveguides and thus to an impairment of the transmission quality or the functionality of the components comprising the respective optical waveguides. This problem arises, for example, in the case of integrated switch array arrangements.
Die zwischen den Lichtwellenleitern bestehenden Verbindungen aus Filmwellenleitermaterial sind zunächst im Hinblick auf eine einfache Herstellung m Kauf zu nehmen. Um die vorge- schilderten Streulichteffekte zu unterdrucken, konnte erwogen werden, die zwischen nutzlichtfuhrenden Bereichen (Lichtwel- lenleiter) bestehenden Zwischenbereiche des Filmwellenleiters z.B. mechanisch oder chemisch zu durchtrennen. Die laterale Verbindung der Lichtwellenleiter durch die Zwischenbereiche des Filmwellenleitermaterials ist jedoch für eine einmodige Wellenleitung notig. Bei einer Unterbrechung wurden an den Unterbrechungsgrenzflachen Reflektionen auftreten, die zu einer Modenbeeinflussung fuhren und die innerhalb der Lichtwellenleiter geführte Strahlung m unerwünschter Weise mehrmodig machen wurden. Mehrmodige Strukturen sind aber z.B. bei auf Emmoden-Verhaltnisse angewiesenen optischen Komponenten nicht tolerierbar. Aus der US-PS 3,947,840 ist ein integriertes Leuchtdioden- Anzeigefeld bekannt, bei dem zwischen den eigentlichen Leuchtdioden bestehende Zwischenbereiche mittels Dotierung in ihrer Eigenschaft zur Lichtfuhrung beeinträchtigt worden sind. Die dazu von der US-PS 3,947,840 gelehrten Maßnahmen sind jedoch im wesentlichen nur bei transparenten und vertikal durchstrahlten Halbleitersubstraten anwendbar.The connections made of film waveguide material between the optical waveguides are initially to be taken into account with a view to simple manufacture. In order to suppress the above-mentioned scattered light effects, it was possible to consider, for example, mechanically or chemically severing the intermediate areas of the film waveguide that exist between useful light-guiding areas (optical fibers). However, the lateral connection of the optical waveguides through the intermediate areas of the film waveguide material is necessary for a single-mode waveguide. In the event of an interruption, reflections occurred at the interruption boundary surfaces, which led to a mode influence and which undesirably made the radiation carried within the optical waveguides multimode. However, multi-mode structures are not tolerable, for example, in the case of optical components which depend on emmode conditions. An integrated light-emitting diode display field is known from US Pat. No. 3,947,840, in which intermediate areas between the actual light-emitting diodes have been impaired in their property for guiding light by means of doping. The measures taught by US Pat. No. 3,947,840, however, can essentially only be used with transparent and vertically irradiated semiconductor substrates.
Aus der US-PS 4,929,515 ist eine Anordnung zur optischen Isolation mehrerer optischer oder elektrooptischer Komponenten bekannt, die in einem gemeinsamen Substrat als integrierte Optik ausgebildet sind. Um bei dieser bekannten Anordnung ein Ubersprechen zu verhindern, sind diesbezüglich kritische Sub- stratbereiche von dem übrigen Substratmateπal dadurch wei- testgehend getrennt, daß von der horizontalen Oberseite des Substrats aus Schlitze erzeugt sind, die schräg aufeinander zulaufen und sich innerhalb des Substratmateπals kreuzen. Diese Schlitze können zusätzlich mit einem lichtabweisenden oder lichtabsorbierenden Material gefüllt sein. Diese Art der Isolation ist jedoch bei hochintegrierten komplexen Strukturen fertigungstechnisch außerordentlich aufwendig und auf Filmwellenleiter nur beschrankt anwendbar.From US Pat. No. 4,929,515 an arrangement for the optical isolation of a plurality of optical or electro-optical components is known, which are formed in a common substrate as integrated optics. In order to prevent crosstalk in this known arrangement, critical substrate areas are largely separated from the rest of the substrate material in that slots are produced from the horizontal top side of the substrate, which run obliquely towards one another and intersect within the substrate material. These slots can additionally be filled with a light-repellent or light-absorbing material. However, this type of insulation is extremely complex in terms of production technology in the case of highly integrated complex structures and can only be used to a limited extent on film waveguides.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer einfachen Anordnung zur optischen Isolation mehrerer Lichtwellenleiter, die als integrale nutzlichtfuhrende Bereiche in einem Filmwellenleiter mit horizontalen Grenzflachen ausgebildet sind, wobei unerwünschtes Streulicht zwischen den Lichtwellenleitern stark und von ihrer Polarisation möglichst unabhängig gedampft wird.The object of the invention is to provide a simple arrangement for the optical isolation of a plurality of optical waveguides which are designed as integral useful light-guiding regions in a film waveguide with horizontal boundary surfaces, undesired scattered light between the optical waveguides being strongly attenuated and as independent of their polarization as possible.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß gelost durch eine Anordnung zur optischen Isolation mehrerer Lichtwellenleiter, die als integrale nutzlichtfuhrende Bereiche in einem Filmwellen- leiter mit horizontalen Grenzflachen ausgebildet sind, wobei zumindest eine wellenabsorbierende Schicht zwischen den nutzlichtfuhrenden Bereichen auf zumindest einer der horizontalen Grenzflachen des Filmwellenleiters aufgebracht ist.According to the invention, this object is achieved by an arrangement for the optical isolation of a plurality of optical waveguides, which act as integral areas guiding the useful light in a film waveguide. are formed with horizontal boundary surfaces, at least one wave-absorbing layer being applied between the useful light-guiding regions on at least one of the horizontal boundary surfaces of the film waveguide.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist darauf hinzuweisen, daß der nutzlichtfuhrende Bereich des Filmwellenleiters durch verschiedene Maßnahmen definiert werden kann. Dabei wird die vertikale Wellenfuhrung durch die Filmwellenleiterstruktur bzw. die Grenzschichten der Wellenleiterstruktur realisiert. Zur lateralen Fuhrung m den nutzlichtfuhrenden Bereichen kann beispielsweise der nutzlichtfuhrende Bereich als erhabene Rippe des Filmwellenleitermaterials ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, die nutzlichtfuhrenden Bereiche da- durch zu kreieren, daß m das Filmwellenleitermateπal m diesen Bereichen Stoffe höherer Brechzahl eindiffundiert werden. Die nutzlichtfuhrenden Bereiche konnten auch als sog. streifenbelasteter Wellenleiter ausgebildet werden, indem auf die zur Nutzlichtfuhrung vorgesehenen Bereiche des Filmwel- lenleiters ein Streifen aus einem Material mit höherem Brechungsindex als der Brechungsindex des Filmwellenleitermaterials aufgebracht wird.In the context of the present invention, it should be pointed out that the useful light-guiding region of the film waveguide can be defined by various measures. The vertical wave guidance is realized by the film waveguide structure or the boundary layers of the waveguide structure. For the lateral guidance in the areas guiding the useful light, the area guiding the useful light can, for example, be designed as a raised rib of the film waveguide material. However, it is also possible to create the useful light-guiding regions by diffusing m the film waveguide material in these areas with substances of higher refractive index. The areas carrying useful light could also be designed as so-called strip-loaded waveguides, in that a strip of a material with a higher refractive index than the refractive index of the film waveguide material is applied to the areas of the film waveguide intended for useful light guidance.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die bestehende laterale Verbindung der nutzlichtfuhrenden Bereiche (Lichtwellenleiter) sich nicht mehr negativ auf das Uber- tragungsverhalten und/oder das Funktionsverhalten der Lichtwellenleiter bzw. der optischen (die Lichtwellenleiter umfassende) Komponenten auswirkt. Ein weiterer wesentlicher Vor- teil der Erfindung ist dabei darin zusehen, daß entstehendes Streulicht unmittelbar am Entstehungsort - d.h. lateral neben den Lichtwellenleitern - durch Absorption eliminiert wird. Dadurch kann zwar das Streulicht ohne Ruckreflektion - und damit ohne unerwünschte Modenbeeinflussung - in die durch die absorbierende Schicht verlustbehafteten Zwischenbereiche ein- koppeln. Das Streulicht wird aber anschließend an der oder den mit der weilenabsorbierenden Schicht versehenen Grenzflachen absorbiert, bevor es benachbarte nutzlichtfuhrende Bereiche erreichen kann. Dabei ist eine erhebliche Dampfung auf einem äußerst geringen Wegstuck möglich, was eine hohe Integrationsdichte der Lichtwellenleiter-Anordnung ermöglicht.An important advantage of the invention is that the existing lateral connection of the useful light-guiding regions (optical waveguides) no longer has a negative effect on the transmission behavior and / or the functional behavior of the optical waveguides or the optical components (comprising the optical waveguides). Another essential advantage of the invention is that scattered light that arises is eliminated directly at the point of origin - ie laterally next to the optical waveguides - by absorption. As a result, the scattered light can indeed enter the intermediate regions which are lossy as a result of the absorbing layer, without jerk reflection - and thus without undesirable influencing of the mode. couple. However, the scattered light is then absorbed at the boundary surface (s) provided with the absorbing layer before it can reach neighboring useful light-guiding regions. Significant damping is possible in an extremely small way, which enables a high integration density of the optical waveguide arrangement.
Je nach Ausbildung und Anwendungsfall kann ein unterschiedliches Reflektionverhalten von tranversal elektrisch polari- siertem Licht (TE-Licht) und tranversal magnetisch polarisiertem Licht (TM-Licht) auftreten, wenn das Licht - wie ggf. bei der integrierten Optik - unter flachen Winkeln einfallt. In diesem Fall wird nämlich das TE-Licht an Grenzflachen noch vergleichsweise gut reflektiert. Eine an die Grenzflache an- schließende weilenabsorbierende Schicht kann daher auf TE- Streulicht nur wenig einwirken, was im Ergebnis zu einer schlechteren Dampfung von TE-Streulicht gegenüber TM- Streulicht fuhrt.Depending on the design and application, different reflective behavior of transversely electrically polarized light (TE light) and transversely magnetically polarized light (TM light) can occur if the light is incident at flat angles - as may be the case with the integrated optics. In this case, the TE light is still reflected comparatively well at boundary surfaces. A hamper-absorbing layer adjoining the boundary surface can therefore have little effect on TE scattered light, which leads to a poorer vaporization of TE scattered light compared to TM scattered light.
Diesbezügliche Untersuchungen haben gezeigt, daß es besonders vorteilhaft ist, die Dicke der wellenabsorbierende Schicht so zu optimieren, daß sie möglichst gut von dem Feld des Streulichtes durchdrungen wird. Demgemäß sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfmdungsgemaßen Anordnung vor, daß die Dicke der wellenabsorbierenden Schicht kleiner als die Eindringtiefe des Lichtes m die Schicht bemessen ist. Die in der technischen Optik gebräuchliche Angabe der Eindringtiefe stellt im wesentlichen auf den Intensitatsverlauf des emfal- lenen Lichtes ab. Im Rahmen der vorliegenen Erfindung ist so- mit unter Eindringtiefe annähernd die Tiefe zu verstehen, nach der Licht von einer ursprunglichen Intensität e auf den Wert 1/e abgeklungen ist. Diese Bemessung der Schichtdicke hat sich m praktischen Versuchen als besonders vorteilhaft dargestellt, weil dabei die Grenzschicht auch von dem Feld elektrisch polarisierten Streulichtes durchdrungen wird. Da- mit treten höhere Feldamplituden innerhalb der anschließenden wellenabsorbierende Schicht auf, auf die die absorbierende Schicht unter entsprechend stärkerer Dampfung des TE- Streulichtes einwirken kann.Studies in this regard have shown that it is particularly advantageous to optimize the thickness of the wave-absorbing layer in such a way that the field of stray light penetrates it as well as possible. Accordingly, an advantageous development of the arrangement according to the invention provides that the thickness of the wave-absorbing layer is smaller than the depth of penetration of the light m the layer. The specification of the penetration depth, which is common in technical optics, is based essentially on the intensity profile of the light emitted. In the context of the present invention, penetration depth is to be understood as approximately the depth after which light has decayed from an original intensity e to the value 1 / e. This dimensioning of the layer thickness has proven to be particularly advantageous in practical tests because the boundary layer is also penetrated by the field of electrically polarized scattered light. There- with higher field amplitudes occur within the subsequent wave-absorbing layer, on which the absorbing layer can act with a correspondingly stronger vaporization of the TE scattered light.
In Hinblick auf eine polaπsationsunabhangig gleichmaßige Dampfung von Streulicht sieht eine besonders bevorzugte Fortbildung der Erfindung vor, daß die Dicke der wellenabsorbie- renden Schicht so bemessen ist, daß die Dampfung für trans- versal elektrisch und für transversal magnetisch polarisiertes Licht gleich groß ist. Die dazu erforderliche Schichtdik- ke laßt sich im Rahmen üblicher Routine-Versuche für nahezu jede Werkstoffpaarung von Filmwellenleitermateπal und weilenabsorbierendes Schichtmateπal bestimmen.In view of a uniform vaporization of scattered light independent of polarization, a particularly preferred development of the invention provides that the thickness of the wave-absorbing layer is dimensioned such that the vaporization is the same for transversely electrical and for transversely magnetically polarized light. The layer thickness required for this can be determined in the context of normal routine tests for almost every material pairing of film waveguide material and the layer material which absorbs the layers.
Die wellenabsorbierende Schicht kann grundsatzlich z. B. von einem Dielektrikum, einer Keramik oder beispielsweise einem Polymer (z.B. graphitversetztes Harz) bestehen. Fertigungstechnisch besonders bevorzugt ist die Verwendung einer Me- tallschicht als wellenabsorbierende Schicht, weil Metall- schichten relativ dünn und fertigungstechnisch gut beherrschbar aufgebracht werden können. Insbesondere für Substrate mit kleinen Brechzahlen (z.B. Polymer oder Glas mit Brechzahlen von ungefähr 1,5) hat sich die Verwendung von Titan oder Chrom als wellenabsorbierende Schicht als besonders vorteilhaft erwiesen.The wave-absorbing layer can basically z. B. consist of a dielectric, a ceramic or for example a polymer (e.g. graphite resin). In terms of production technology, the use of a metal layer as a wave-absorbing layer is particularly preferred because metal layers can be applied relatively thinly and in a manner that is easy to control in terms of production technology. In particular for substrates with low refractive indices (e.g. polymer or glass with refractive indices of approximately 1.5), the use of titanium or chromium as a wave-absorbing layer has proven to be particularly advantageous.
Bei Verwendung von Metalischichten erweisen sich Schichtdik- ken von 5 bis 50nm, besonders von 10 bis 20nm, als vorteil- haft.When using metal layers, layer thicknesses of 5 to 50 nm, in particular 10 to 20 nm, have proven to be advantageous.
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing; show it:
Figur 1 eine erfmdungsgemaße Anordnung im Querschnitt und Figur 2 die auf Streulicht ausgeübte Dampfung als Funktion der Dicke einer Metallschicht ,1 shows an arrangement according to the invention in cross section, and FIG. 2 shows the damping exerted on scattered light as a function the thickness of a metal layer,
Gemäß Figur 1 umfaßt die Anordnung einen Filmwellenleiter 1, der beispielsweise aus einem Polymer, vorzugsweise Benzocy- clobuthen (BCB) , besteht. Der Filmwellenleiter kann zur vertikalen Wellenfuhrung an seiner oberen Grenzflache 2 und/oder an seiner unteren Grenzflache 3 mit einer geeigneten Mantel- schicht (Claddmg) , z.B. Sι02, beschichtet sein. Die Anwendung derartiger Beschichtungen richtet sich m für den Fach- mann gelaufiger Weise nach den Brechungszahlen von Filmwel- lenleitermateπal und daran anschließendem Material. Im vorliegenden Fall ist der Filmwellenleiter auf einem Silizium- substrat 5 aufgebracht, dessen obere Schicht 6 durch Oxidati- on mit der vorgenannten Siliziumoxid-Schicht 7 (unterer Clad- dmg-Layer) versehen ist. Grundsatzlich konnte auch das Sili- ziumsubstrat insgesamt als geeignetes Glas (Sι02) oder Polymer ausgebildet sein. Die obere horizontale Grenzflache 2 des Filmwellenleiters konnte in bekannter Weise zur Vermeidung zu hoher Brechzahlsprunge von dem Filmwellenleitermateπal z.B. zur Umgebungsluft 8 mit einer weiteren Deckschicht versehen sein .According to FIG. 1, the arrangement comprises a film waveguide 1 which, for example, consists of a polymer, preferably benzocyclobutene (BCB). For vertical wave guidance, the film waveguide can be coated with a suitable cladding layer (Claddmg), for example SiO 2 , on its upper boundary surface 2 and / or on its lower boundary surface 3. For the expert, the use of such coatings is based on the refractive index of film waveguide material and the material connected to it. In the present case, the film waveguide is applied to a silicon substrate 5, the upper layer 6 of which is provided with the aforementioned silicon oxide layer 7 (lower cladding layer) by oxidation. In principle, the silicon substrate as a whole could also be designed as a suitable glass (Si0 2 ) or polymer. The upper horizontal boundary surface 2 of the film waveguide could be provided with a further cover layer in a known manner in order to avoid excessive refractive index jumps from the film waveguide material, for example to the ambient air 8.
Der Filmwellenleiter 1 weist eine Vielzahl von nutzlichtfuhrenden Bereichen auf, die als Lichtwellenleiter dienen. In Figur 1 sind lediglich zwei derartige nutzlichtfuhrende Bereiche 12,14 dargestellt. Die vertikale Wellenfuhrung m den nutzlichtfuhrenden Bereichen erfolgt durch die Filmwellenlei- terstruktur, d.h. die Filmwellenleiterschicht 1 und den darüber bzw. darunter liegenden Deckschichten mit geringeren Brechzahl. Die laterale Fuhrung des Nutzlichtes in den Bereichen 12,14 erfolgt im Ausfuhrungsbeispiel durch Ausformung einer Rippe R aus dem Filmwellenleitermaterial . Die Rippe R kann beispielsweise eine Hohe von lOμm haben, wahrend das übrige Filmwellenleitermaterial eine Schichtdicke von 5μm auf- weist. Die Wellenfuhrung kann aber auch in bekannter Weise durch einen entsprechend lokal erhöhten Brechungsindex desThe film waveguide 1 has a multiplicity of useful light-guiding regions which serve as optical waveguides. In Figure 1, only two such useful light-guiding areas 12, 14 are shown. The vertical wave guidance in the areas guiding the useful light takes place through the film waveguide structure, ie the film waveguide layer 1 and the cover layers above or below it with a lower refractive index. In the exemplary embodiment, the useful light is guided laterally in the regions 12, 14 by shaping a rib R from the film waveguide material. The rib R can have a height of 10 μm, for example, while the remaining film waveguide material has a layer thickness of 5 μm. The shaft guide can also in a known manner by a corresponding locally increased refractive index of the
Filmwellenleitermaterials in den nutzlichtfuhrenden Bereichen gebildet sein.Film waveguide material can be formed in the useful light-guiding areas.
In den zwischen den nutzlichtfuhrenden Bereichen 12,14 und weiteren nicht dargestellten Lichtwellenleitern bestehenden Zwischen- oder Verbindungsbereichen 15,16,17 aus Filmwellenleitermaterial konnte sich wie angedeutet Streulicht 20 lateral ausbreiten und zu Störungen benachbarter nutzlichtfuhren- de Bereiche fuhren. Diese Storungsgefahr ist nur zur Verdeutlichung in Figur 1 durch Schraffur des nutzlichtfuhrenden Bereich 12 angedeutet. Um die Storungsgefahr zu beseitigen sind die Bereiche 12,14 optisch zu isoliert. Dazu ist zumindest jeweils eine wellenabsorbierende Schicht 22,23,24 zwischen den nutzlichtfuhrenden Bereichen (z.B. 12,14) auf einer - nämlich im Ausfuhrungsbeispiel der unteren - horizontalen Grenzflache 3 des Filmwellenleiters 1 aufgebracht. Da unmittelbar neben den Lichtwellenleitern 12,14 jeweils die absorbierende Schicht 22,23,24 unmittelbar auf das Filmwellenlei- termaterial aufgebracht ist, kann das an den Wellenleitern 12,14 generierte Streulicht 20 zwar in die Zwischenbereiche 15,16,17 einkoppeln, wird jedoch sodann an der Grenzflache 3 von der jeweiligen Schicht 22,23,24 absorbiert, bevor es benachbarte Lichtwellenleiter erreichen kann.As indicated, scattered light 20 could spread laterally in the intermediate or connection areas 15, 16, 17 made of film waveguide material between the useful light-guiding areas 12, 14 and further optical waveguides, not shown, and could lead to faults in adjacent useful light-guiding areas. This risk of interference is only indicated for clarification in FIG. 1 by hatching the area 12 carrying the useful light. The areas 12, 14 are optically too isolated to eliminate the risk of malfunction. For this purpose, at least one wave-absorbing layer 22, 23, 24 is applied between the areas guiding the useful light (e.g. 12, 14) on a horizontal boundary surface 3 of the film waveguide 1, namely in the exemplary embodiment of the lower one. Since the absorbing layer 22, 23, 24 is applied directly to the film waveguide material immediately next to the optical waveguides 12, 14, the scattered light 20 generated at the waveguides 12, 14 can couple into the intermediate regions 15, 16, 17, but will then absorbed at the interface 3 by the respective layer 22, 23, 24 before it can reach adjacent optical waveguides.
Die absorbierende Schicht kann in gleicher Weise zusatzlich oder alternativ auf der oberen horizontalen Grenzflache 2 aufgebracht sein, wobei im Hinblick auf mögliche zu hohe Brechzahlsprunge ggf. eine zusatzliche Deckschicht auf die Grenzflache 2 bzw. die absorbierende Schicht aufzubringen wäre. Insoweit ist die in der Figur 1 gezeigte Anordnung besonders vorteilhaft. Grundsatzlich können wellenabsorbierende Schichten aber sowohl auf der unteren 3 als auch auf der oberen horizontalen Grenzflache 2 aufgebracht werden. Die Dicke der wellenabsorbierenden Schichten 22,23,24 ist kleiner als die Eindringtiefe des Lichtes in die Schicht bemessen. Die wellenabsorbierende Schicht besteht im Ausfuhrungsbeispiel aus Titan und weist eine Dicke von 5 bis lOOnm, bevorzugt 10 bis 20nm auf.In the same way, the absorbent layer can additionally or alternatively be applied to the upper horizontal boundary surface 2, with an additional cover layer possibly having to be applied to the boundary surface 2 or the absorbent layer in view of possible excessive jumps in refractive index. In this respect, the arrangement shown in FIG. 1 is particularly advantageous. In principle, however, wave-absorbing layers can be applied to both the lower 3 and the upper horizontal boundary surface 2. The thickness of the wave-absorbing layers 22, 23, 24 is smaller than the depth of penetration of the light into the layer. In the exemplary embodiment, the wave-absorbing layer consists of titanium and has a thickness of 5 to 100 nm, preferably 10 to 20 nm.
Besonders bevorzugt wird die Schicht (z.B.15) so ausgebildet, daß beide im Streulicht 20 anzutreffenden Polarisationen (TE- Licht und TM-Licht) ein möglichst geringes Reflektionsverhal- ten am Übergang in die Schicht 15 zeigen und möglichst gleichmäßig gedampft werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß TE-Licht an nahezu allen Grenzflachen noch gut reflektiert wird, wenn es unter flachen Winkeln einfallt. Dies wurde bei einer großen Schichtdicke grundsatzlich zu einer schlechteren Dampfung von TE-polarisiertem Streulicht fuhren. Die absorbierende Schicht sollte deshalb möglichst dünn ausgeformt werden, wobei jedoch mit abnehmender Schichtdicke die Dampfungswirkung auf TM-polarisiertes Licht abnimmt.The layer (e.g. 15) is particularly preferably designed such that both polarizations (TE light and TM light) found in the scattered light 20 show the lowest possible reflection behavior at the transition into the layer 15 and are vaporized as uniformly as possible. It should be taken into account that TE light is still well reflected at almost all boundary surfaces when it is incident at flat angles. With a large layer thickness, this would in principle lead to poorer vaporization of TE-polarized scattered light. The absorbent layer should therefore be formed as thin as possible, but the attenuation effect on TM-polarized light decreases as the layer thickness decreases.
Diese Zusammenhange sind in Figur 2 für das Ausfuhrungsbei- spiel als Funktion der Dampfung α über der Titan-Schichtdicke SD auf einem Filmwellenleiter aus BCB mit 5μm Schichtdicke und beiderseitiger Beschichtung mit Siliziumdioxid (Si0 ) bei einer Lichtwellenlange von l,55μm dargestellt. Die darge- stellten Verhaltnisse sind von den gewählten Materialpaarun- gen abhangig; die Lichtwellenlange hat nur geringen Einfluß. Je nach Materialpaarung kann durch Messung der Dampfungsanteile die jeweils optimale Schichtdicke OSD bestimmt werden. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist gemäß Figur 2 zu er- kennen, daß die Dampfung für TM-polarisiertes Licht mit zunehmende Schichtdicke stark ansteigt, wahren ein Maximum der Dampfung für TE-polarisiertes Streulicht bei einer gegen null tendierenden Schichtdicke erkennbar ist. Aus den jeweils dargestellten Zusammenhangen ergibt sich eine anzustrebende op- timale Schichtdicke OSD, die durch ein annähernd gleiches Dämpfungsverhalten für TE- und TM-polarisiertes Streulicht charakterisiert ist. Diese Schichtdicke OSD liegt im Bereich zwischen 10 und 20nm, im konkreten Ausführungsbeispiel bei ca. 13nm. Bei einer derartig bemessenen wellenabsorbierende Schicht wird die Grenzschicht 3 (Figur 1) von dem Feld des Streulichtes noch so weit ausreichend durchdrungen, daß aufgrund der Feldamplituden innerhalb der absorbierenden Schicht 23 auch das TE-Streulicht ausreichend stark und annähernd gleich wie das TM-Streulicht gedämpft wird. These relationships are shown in FIG. 2 for the exemplary embodiment as a function of the damping α over the titanium layer thickness SD on a BCB film waveguide with a layer thickness of 5 μm and coating on both sides with silicon dioxide (Si0) with a light wavelength of 1.55 μm. The conditions shown depend on the selected material pairings; the light wavelength has little influence. Depending on the material pairing, the optimum layer thickness OSD can be determined by measuring the damping proportions. In the exemplary embodiment shown, it can be seen from FIG. 2 that the damping for TM-polarized light increases sharply with increasing layer thickness, while a maximum of the damping for TE-polarized scattered light can be seen with a layer thickness tending towards zero. The correlations shown in each case result in an optimal layer thickness OSD to be aimed for, which is characterized by an approximately the same Damping behavior for TE and TM polarized scattered light is characterized. This layer thickness OSD is in the range between 10 and 20 nm, in the specific exemplary embodiment approximately 13 nm. In the case of such a wave-absorbing layer, the boundary layer 3 (FIG. 1) is sufficiently penetrated by the field of the scattered light that, due to the field amplitudes within the absorbing layer 23, the TE scattered light is also attenuated sufficiently strongly and approximately the same as the TM scattered light becomes.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung zur optischen Isolation mehrerer Lichtwellenleiter, die als integrale nutzlichtfuhrende Bereiche (12,14) m einem Filmwellenleiter (1) mit horizontalen Grenzflachen (2,3) ausgebildet sind, wobei zumindest eine wellenabsorbierende Schicht (23) zwischen den nutzlichtfuhrenden Bereichen (12,14) auf zumindest einer der horizontalen Grenzflachen (3) des Filmwellenleiters (1) aufgebracht ist.1. Arrangement for the optical isolation of a plurality of optical waveguides which are designed as integral useful light-guiding areas (12, 14) with a film waveguide (1) with horizontal boundary surfaces (2, 3), at least one wave-absorbing layer (23) between the useful light-guiding areas (12 , 14) is applied to at least one of the horizontal boundary surfaces (3) of the film waveguide (1).
2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die Dicke (SD) der wellenabsorbierenden Schicht (23) kleiner als die Eindringtiefe des Lichtes m die Schicht (23) bemessen ist.2. Arrangement according to claim 1, so that the thickness (SD) of the wave-absorbing layer (23) is smaller than the depth of penetration of the light m the layer (23) is dimensioned.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die Dicke (SD) der weilenabsorbierenden Schicht (23) so bemessen ist, daß die Dampfung für transversal elektrisch und für transversal magnetisch polarisiertes Licht gleich groß ist .3. Arrangement according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß the thickness (SD) of the Weil-absorbing layer (23) is dimensioned such that the attenuation for transversely electrical and for transversely magnetically polarized light is the same size.
4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da dur ch ge kenn z e i chne t , daß die wellenabsorbierende Schicht (23) eine Metallschicht ist.4. Arrangement according to one of the preceding claims, since the ge ch e mark that the wave-absorbing layer (23) is a metal layer.
5. Anordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die wellenabsorbierende Schicht (23) aus Titan oder aus Chrom besteht .5. Arrangement according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, that the wave-absorbing layer (23) consists of titanium or chrome.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß e wellenabsorbierende Schicht (23) eine Dicke von 5 bis nm, bevorzugt von 10 bis 20nm, aufweist. 6. Arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that ß e wave-absorbing layer (23) has a thickness of 5 to nm, preferably of 10 to 20 nm.
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