WO2002088799A1 - Integriert-optischer feldweitentransformator zur adiabatischen, monomodigen feldanpassung - Google Patents

Integriert-optischer feldweitentransformator zur adiabatischen, monomodigen feldanpassung Download PDF

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WO2002088799A1
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integrated
optical
waveguide
field
tapering
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PCT/DE2002/001557
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Inventor
Helmut Heidrich
Carl Michael Weinert
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • 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
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
    • 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
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers

Definitions

  • the invention relates to an integrated-optical field transformer for adiabatic, monomodal field adaptation between an optical component and an integrated-optical waveguide belonging to a planar waveguide circuit Has waveguide height.
  • Cross-section changes occur in the integrated optics when connecting waveguides.
  • the propagating light waves must either be subjected to a widening or concentrating field width change in order to avoid abrupt transitions with poor coupling efficiency as a measure of coupling losses.
  • the goal is an adiabatic field adaptation in which the guided light output is retained in one mode.
  • Photonic crystals represent artificial two-dimensional gratings whose periodic structures are adapted to the wavelength of the light wave.
  • periodic hole arrangements or also column arrangements
  • different resulting refractive indices can be generated.
  • band gaps can be created in whose energy states or frequencies the light wave cannot propagate ("forbidden zone").
  • transmissions can occur in conventional optical fibers due to the laws of refraction, the optical wave in the defect optical waveguide cannot leave it due to its energy state.
  • defect waveguides based on photonic crystals are characterized by a strong optical constriction. This property enables extremely small optical components with areas of a few 10 ⁇ m 2 to be realized. However, these small components, in which the diameter of the defect waveguide is in a range of 1 ⁇ m, can practically not be used as individual components. In addition, the problem of optical coupling to other optical components, which is very large with a field diameter of an optical glass fiber in the range of 12 ⁇ m, has not yet been solved. There are first approaches to both problems in the prior art.
  • the waveguide is produced by omitting several rows of columns. It is additionally provided with holes in order to change its refractive index.
  • the light wave always strives in areas with a higher refractive index. It becomes an adiabatic Transformation of the field by reducing the hole diameter of the defect waveguide at its end in a taper area. In the direction of the reduction, the columns in the taper area are also reduced to support the coupling in / out effect. Holes and columns show a decreasing depth in the taper area
  • the integration of the field transformer into the material of the photonic crystal is questionable from an economic point of view.
  • the taper area is extremely sensitive to mechanical interference.
  • the "spot size converter” described here is a polarization-independent field width transformer in the form of a rib waveguide as an interface between the planar waveguide circuit ("optical chip") and a glass fiber.
  • the rib waveguide has a lateral one Tapering on, which runs from the integrated optical waveguide on the chip to the glass fiber, which continuously lowers the field guidance in the waveguide layer, so that the guided light wave drifts downward towards the substrate Focusing rib ("outer rib”) intercepted.
  • An optical field width transformer for adiabatic, monomodal field adaptation is described, which is designed for coupling a glass fiber as an optical component to an integrated optical waveguide of a planar waveguide circuit in the form of a photonic integrated circuit.
  • the field width Transformer which is monolithically integrated as an independent component with the circuit, has a rib waveguide which is provided with a vertical taper of the rib height in a taper area. This can be designed with a changing inclination and extends to the buffer layer lying underneath the waveguide layer. This is constantly narrowed in the taper area and forms a constant focusing rib for the light wave to be guided.
  • the field guidance in the rib area is continuously lowered and the light wave is pushed down and intercepted laterally by the focusing rib.
  • the propagation image of the optical field is also adapted, so that the known field width transformer is independent of polarization.
  • the components to be coupled with the known field width transformer have such a size ratio that an adiabatic, monomodal field adaptation can be brought about by simple tapering.
  • the known field-width transformer is not suitable for coupling to another optical component with dimensions that are significantly reduced compared to the conventional components.
  • the solution according to the invention for this task for an integrated optical field width transformer for the adiabatic, monomodal field adaptation between an optical component and an integrated optical waveguide belonging to a planar waveguide circuit therefore consists in the optical component producing a photonic crystal with at least one in a periodic hole arrangement Defective waveguide, from which the vertical tapering extends in the direction of the integrated-optical waveguide, and that the integrated-optical waveguide has a lateral tapering of the waveguide width that is continuously opposed to the vertical tapering of the waveguide height, both taperings in their ratio of height to width are dimensioned using a two-dimensional numerical method for eigenmode calculation to achieve monomode in the entire taper range.
  • the field width transformer as a bidirectional optical component is monolithically integrated with the photonic crystal. This ensures that divergence of the optical field with a high numerical aperture, as occurs at simple butt coupling points, is avoided by remaining the optical field in the material with the higher refractive index. Due to the high-index semiconductor material, the good field width adaptation is achieved through a strong constriction.
  • the field width transformer has a double, opposing taper in its taper area. Starting from the integrated optical waveguide, the light-guiding waveguide in the field-width transformer becomes narrower and at the same time higher and higher towards the defect waveguide.
  • the cross-sectional dimensions of the integrated optical waveguide on the one hand and the defect waveguide on the other hand determine the initial and final cross section of the waveguide in the field width transformer in a first approximation. Between its two ends there is a continuous cross-section transfer for adiabatic adaptation of the two optical fields.
  • the main criteria for the change process are the agreement of the field focus and the maintenance of the monomode in the waveguide in order to avoid radiation losses when adapting the field and to achieve a high coupling efficiency.
  • the center of gravity denotes the center of the propagation field, the position of which in the waveguide layer depends on its material composition. Only when the focus of the fields to be coupled is at least vertical match, the greatest possible field overlap can be achieved.
  • the field width transformer according to the invention With the field width transformer according to the invention, with a good adjustment of the two waveguides in the manufacturing process, efficient couplings to one another can be achieved by adiabatic field adaptation in a mode with losses of less than -1 dB. Compared to the above-mentioned approaches for coupling known in the field of photonic crystals, a significant increase in performance can be seen here. Compared to the known approaches for adiabatic field adaptation, the field width transformer according to the invention has significantly better performance properties because it has great mechanical stability. It is also much easier to manufacture. Furthermore, the monolithic integration of the field-width transformer according to the invention with the photonic crystal creates dimensions in a region which make simple handling of such small optical components possible in the first place.
  • Defective waveguides in photonic crystals are very narrow (eg 0.7 ⁇ m) and relatively high (eg 1.2 ⁇ m).
  • Essential for the efficient field adaptation in the field width transformer according to the invention is the good agreement of the two field centers, that is to say a good field overlap.
  • the defect waveguides which extend down to the buffer layer by deep etching of the hole arrangement, this may not be achieved, depending on the material composition, solely by removing the waveguide layer in the taper area. If the field width transformer according to the invention is continued, it is therefore provided that the vertical tapering of the waveguide height extends into the buffer layer extends.
  • the good field adaptation to the defect waveguide of the photonic crystal is then achieved via the strong constriction in the high-index semiconductor material, in that the vertical tapering of the light-guiding waveguide layer through this material takes place continuously down into the low-index optical buffer layer.
  • the vertical and the lateral tapering of the integrated optical waveguide run with changing inclinations, the length of the taper region can be reduced to the absolutely necessary minimum.
  • An improvement in the displacement of the vertical spread pattern is also achieved.
  • the two taperings can in principle run with different inclinations or, in the case of linear taperings, with different inclinations.
  • the present invention is based on the opposite double tapering (“tapering”) of the light-guiding waveguide layer.
  • This can be, for example, a buried waveguide that is laterally insulated and has a high refractive index contrast to its surroundings.
  • the integrated optical waveguide is a rib waveguide that has the vertical and lateral tapering in the area of its rib.
  • rib waveguides with a vertical structuring are easier to manufacture by simple mask technology with deep etching
  • the field-width transformer according to the invention can then be implemented relatively easily in terms of production technology by the corresponding geometric configuration of the rib of the rib waveguide.
  • a photonic crystal can only be handled relatively easily by the monolithic integration with the field width transformer according to the invention.
  • Different connections of the photonic component islands with adjustment tolerances in the submicron range to other optical components are also possible.
  • the integrated optical waveguide is connected in a monolithically integrated manner to at least one further integrated optical waveguide of a further field width transformer.
  • This constructive configuration creates an optical adapter with two or more interfaces, which are connected internally via the integrated optical waveguide, which can in particular be a ribbed waveguide.
  • the first interface is always connected to the defect waveguide of the photonic crystal, but the other interface in the other field width transformers are freely available.
  • the at least one further field width transformer is designed for field adaptation to a further defect waveguide in a photonic crystal.
  • the further field width transformer then has an identical structure to the first field width transformer.
  • complete networks for the optical networking of a large number of optical crystals in a monolithically integrated design can then be produced on a common optical chip.
  • the at least one further field width transformer is designed for field adaptation to a single-mode optical glass fiber.
  • the further field width transformer can in particular as disclosed in EP 0890121 can be formed with a TM focusing rib.
  • the adapter no longer has a symmetrical structure, but shows different interface configurations.
  • the integrated optical waveguide connecting these in the adapter initially shows a widening flattening coming from the defect waveguide, which then changes again into a narrowing that increases.
  • the integrated optical waveguide has a cross section that is adapted to the optical field of a photonic circuit (PIC).
  • PIC photonic circuit
  • the combination described is particularly useful if all the components involved have a similar layer structure and can therefore be processed at the same time. In addition, they all have to work in mono mode. This can be, for example, the connection of one or more lasers or waveguide feeds to one or more photodiodes.
  • optical components which are particularly complex to manufacture and which have a complex layer structure or are designed to be multi-mode
  • Butt coupling has a lower coupling efficiency than integrated couplings, but it also allows different material combinations, for example between the expensive compound semiconductors with the cheaper silicone, silica or polymer materials.
  • OEIC integrated circuits with optoelectronic elements
  • photodetectors are “valuable”, and these process steps may not be identical to the process steps used to manufacture the optical circuit network
  • a planar hybrid integration can be economically more economical than a completely monolithic solution.
  • the OEICs, the ultra-compact photonic crystal Components with the tapes of the present invention which would no longer be mechanically graspable as discrete chips, are then flipped in mechanical guides on the optical board with their upside down (“up-side-down”) inserted, if necessary actively adjusted to the integrated optical waveguide when making electrical contact and mechanically fixed until the end of the formation of the flip-chip connection.
  • the condition of the monomode must be met when dimensioning the taper region.
  • waveguide networks using interferometric effects eg used in directional couplers or multimode interference couplers
  • a single-mode design is required.
  • the integrated optical waveguide has an outlet area in the connection to the taper area, in which the condition of the mono-mode and the multimode are allowed in the geometrical dimensioning is.
  • the field-width transformer according to the invention achieves a particular versatility, which is already very large due to the different adapter designs.
  • Photonic crystals can also have a plurality of parallel defect waveguides or branched defect waveguides.
  • the field transformer according to the invention is coupled with other field transformers of the same type in a monolithically integrated manner to various defect waveguides of a photonic crystal.
  • Each defect waveguide is integrated monolithically with its own field width transformer according to the invention.
  • the branching can take place depending on the power or on a wavelength-selective basis using a corresponding switch (or combiner).
  • Various monolithically integrated optoelectronic components for example laser or photodiodes
  • the field width transformer according to the invention or its design forms can be implemented in different layer structures.
  • the monolithically integrated layer structure is formed in a higher refractive, in particular quaternary, III-V semiconductor connecting material as a waveguide layer and a refractive, in particular binary, III-V semiconductor connecting material as an optical limiting layer is.
  • a common material pairing is, for example, GalnAsP with a vacuum wavelength of 1.3 ⁇ m and InP.
  • the monolithically integrated layer structure is formed in a higher refractive index semiconductor material, in particular silicon, as a waveguide layer and a semiconductor material which refracts from it, in particular SiO x , as an optical limiting layer.
  • a coupling to a further PIC made of a silicon-based semiconductor material Silicon-based semiconductor material (Silicon-on-Insulator SOI), which serves as an optical board for receiving III / V PICs or -OEICs, can be implemented.
  • the connection to the glass fiber world and the optical networking circuit are then carried out on an optical material system on the optical board.
  • the laser and detector functions can then be monolithically integrated with photonic crystal components in an adequate material system.
  • the field width transformer according to the invention is relatively easy to manufacture due to its compact construction.
  • the vertical tapering of the height of the integrated optical waveguide can be generated by transferring a vertically tapered lacquer ramp.
  • Epitaxial (single-crystalline) growth methods for the production of both lateral tapering (exposure through a stationary resist mask) and vertical tapering (exposure through a portable resist mask, compare EP0973188) for field-width transformers are known per se.
  • the double-tapered field width transformer according to the invention for example in the form of a ribbed waveguide, the two known methods are combined with one another. First, an epitaxial layer structure of the starting material takes place. Then the semiconductor fin is defined with a first mask (e.g.
  • the photoresist is then exposed for different lengths of time by means of a second mask which can be moved during the photolithographic exposure of the photoresist layer, which leads to the formation of a vertical lacquer ramp after development.
  • the vertical lacquer tapping is then transferred to the rib waveguide, which has already been tapered laterally, as far as possible into the buffer layer, so that it now has the desired double tapering in the desired dimensions.
  • FIG. 1 shows a spatial view of the field width transformer according to the invention
  • FIG. 2 shows a diagram for field adaptation by double tapering of the field width transformer
  • FIG. 3 shows a dual adapter for coupling a defect waveguide with an optical fiber
  • FIG. 4 shows a further dual adapter for coupling a defect waveguide to an optical fiber
  • FIG. 5 shows a multiple adapter for producing a network of photonic crystals
  • FIG. 6 shows a parallel connection of a photonic crystal to different optoelectronic components
  • FIG. 7 shows a performance-dependent connection of a photonic
  • FIG. 8 shows a wavelength-dependent connection of a photonic
  • FIG. 1 shows an integrated-optical field width transformer 1 for adiabatic, monomodal field adaptation between a photonic crystal 2 and an integrated-optical waveguide 3, both of which are monolithically formed in a waveguide layer 4.
  • a layer structure comprising at least two buffer layers 5, 6 and a conductive layer 7 on a substrate 8.
  • the waveguide 3 is designed as a rib waveguide 9.
  • the photonic crystal 2 as a component island with size dimensions in the submicron range has a periodic hole arrangement 10.
  • the resulting refractive index is changed in this area by the hole-like deep etching 11, which extends into the upper buffer layer 5, in such a way that a band gap for the light wave arises. This can only spread in a defect waveguide 12, which is structured by the elimination of the deep etching.
  • the field width transformer 1 has a taper area 13, in which the rib waveguide 9 is double-tapered.
  • a vertical taper 14 of the height H of the rib 16 extends from the defect waveguide 12 in the direction of the rib waveguide 9.
  • the vertical taper 14 is countered by a lateral taper 15 of the width B of the rib 16 (indicated by corresponding arrows in FIG. 1) ).
  • the double, opposing tapering makes the rib 16 of the rib waveguide 9 ever narrower and higher in the direction of the photonic crystal 2.
  • the cross-sectional course depends on two criteria. First, 13 single-mode must be guaranteed in the entire taper area (see Figure 2).
  • the vertical taper 14 run into the upper buffer layer 5 (shown in FIG. 1 in the selected exemplary embodiment).
  • the height H as a measure of the vertical tapering 14 is a parameter that can be set by controlled deep etching for the field overlap and thus for the coupling efficiency to be achieved of less than -1 dB of the field width transformer 1 according to the invention.
  • FIG. 2 shows a diagram for determining the correct ratio of height H to width B of the light-guiding waveguide layer 4, in the selected exemplary embodiment the rib 16 of the rib waveguide 9.
  • the hexagonal hole pattern has a hole spacing (lattice constant) of 0.4 ⁇ m. This corresponds to a material fill factor of 0.6.
  • the optical field width is 0.6 ⁇ m.
  • the corresponding rib cross sections in the taper area 13 are assigned for clarification.
  • the simulation was carried out with a created their own computer program (the same simulation can be carried out, for example, with the commercially available program "FullWAVE" from RSOFT), which offers a two-dimensional method of finite differences for TE and TM modes.
  • the propagation fields are calculated separately for the TE mode and the TM mode.
  • the TE mode propagation image is shown for a quaternary waveguide layer 4 with a vacuum wavelength equivalent to the energy gap of 1.3 ⁇ m (Q-1, 3 ⁇ m GalnAsP) on a binary buffer layer 5 (InP)
  • the dimensions are chosen such that no secondary modes occur in the rib 16 and maximum field overlaps are achieved at the beginning and end of the taper region 13.
  • the Rib 16 has a height H which extends into the buffer layer 5.
  • the diagram also shows that the combination slope between height H and width B is linear in a large section.
  • FIG. 3 shows a dual adapter 20 which is used to couple the defect waveguide 12 to an optical glass fiber 21.
  • a further field transformer 22 is monolithically integrated, which serves to couple a ribbed waveguide 23 to the glass fiber 21.
  • Such a field width transformer 22 is known from EP 0890121 and has vertical tapering with variable inclination.
  • FIG. 4 also shows a dual adapter 30 for coupling to an optical glass fiber 31 with a similar further field width transformer 32, which is known from the paper [VI] cited above and has only a lateral tapering in its rib waveguide 33, the known field width transformer 32 serves to expand the optical field of a typical GalnAsP / lNP chip waveguide for the wavelength of 1.5 ⁇ m (e.g.
  • rib width 2 ⁇ m
  • rib and layer material GalnAsP material with a vacuum wavelength equivalent to the energy gap of 1.3 ⁇ m ( short: Q-1, 3); Q- 1,3-thickness: 1 ⁇ m; Rib height: 0.3 ⁇ m; Q-1, 3-conductive layer below the Rippenwelleiter) on the optical field of a standard single-mode glass fiber.
  • the monolithically integrated photonic crystal 2 uses the same Q-1,3 layer to produce the vertical guide.
  • the effect of the two field width transformers 22, 32 is identical, in both the light wave is pushed down. Which embodiment is chosen depends on the materials used and the installation conditions.
  • the field width transformer can also have a joint directly at the end of its taper area.
  • a section of an integrated optical waveguide can also be provided there, in which the condition of monomode has been given up for connecting a multi-mode component and several modes can spread in parallel.
  • FIG. 5 shows a multiple adapter 40 with three interfaces in a monolithically integrated design, with the aid of which an optical network 41 can be produced from a plurality of photonic crystals 42, 43, 44 as component islands.
  • the coupling to their defect waveguides 45, 46, 47 takes place via a plurality of field width transformers 1, 48, 49 according to the invention (indicated in the figure by a symbol with a double, opposite tapering), which are connected via a rib waveguide 9 in a Y shape and can have different dimensions, each adapted to the photonic crystals 42, 43, 44 to be coupled.
  • a 3dB distribution of the paths in the Y is shown, other distribution Lungs, in particular with a coupling arrangement that maintains performance, are possible.
  • the advantage of such an arrangement is its small space requirement and the good integration of the very small photonic crystals.
  • Such a monolithically integrated adapter with a plurality of output interfaces can also be designed for coupling a plurality of glass fibers, integrated optical components or other optical components for coupling to one or more defect waveguides of photonic crystals.
  • FIGS. 6, 7 and 8 show a parallel use of a plurality of field width transformers according to the invention, which are coupled monolithically integrated to a plurality of defect waveguides.
  • four parallel defect waveguides 51 are integrated in the photonic crystals 50.
  • Each defect waveguide 51 is connected via a field width transformer 52 according to the invention to an integrated optical waveguide 53 with an optoelectronic component 54 ... 57.
  • This can be, for example, laser or photodiodes.
  • the photonic crystal 60 in FIG. 7 shows a defect waveguide 61 which is divided into two defect waveguides 62, 63 via an integrated Y-switch as a 3DB coupler.
  • a photonic crystal 70 shows a defect waveguide 71 which, depending on the wavelength, conducts the light signals to two defect waveguides 72, 73 via an integrated wavelength-selective switch, which can also function as a bidirectional component as a wavelength-selective combiner.
  • These are in turn connected to two field width transformers 74, 75 according to the invention via two integrated optical waveguides 76, 77 with two monolithically integrated optoelectronic components 78, 79.

Abstract

In der integrierten Optik werden Querschnittsänderungen bei der Verbindung von Wellenleitern mittels Feldweitentransformatoren durch eine adiabatische Feldanpassung angeglichen. Photonische Kristalle stellen künstliche Gitter dar, deren periodische Strukturen an die Wellenlänge der Lichtwelle angepasst sind. Durch Unterbrechung der periodischen Strukturen werden integrierte Defektwellenleiter erzeugt. Photonische Kristalle sind aufgrund ihrer geringen Abmessungen nur schwer handhabbar und auch nur aufwändig an andere optische Bauelemente ankoppelbar. Zur Kopplung des Defektwellenleiters (12) mit einem integriert-optischen Wellenleiter (3) weist der erfindungsgemässe Feldweitentransformator (1) deshalb in einem Taperbereich (13) sowohl eine vertikale Taperung (14) als auch eine gegenläufige laterale Taperung (15) des integriert-optischen Wellenleiters (3) auf. Dabei ist dessen Verhältnis von Höhe (H) zu Breite (B) unter Anwendung bekannter numerischer Verfahren so bemessen, dass Monomodigkeit im Wellenleiter (3) und optimale Feldüberlappungen gewährleistet sind. Der erfindungsgemässe Feldweitentransformator kann mit einem oder mehreren weiteren Feldtransformatoren gleichen oder verschiedenen Typs zu dualen oder multiplen Adaptern monolithisch integriert werden, sodass eine optimale und vielseitige Kopplung photonischer Kristalle an unterschiedliche optische Bauelemente möglich ist.

Description

Integriert-optischer Feldweitentransformator zur adiabatischen, monomo- digen Feldanpassung
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf einen integriert-optischen Feldweitentransformator zur adiabatischen, monomodigen Feldanpassung zwischen einer optischen Komponente und einem einer planaren Wellenleiterschaltung zugehörigen integriert-optischen Wellenleiter, der in einem Taperbereich eine kontinuierliche, bis zumindest auf die Pufferschicht zwischen Wellenleiterschicht und Leitschicht verlaufende vertikale Taperung der Wellenleiterhöhe aufweist.
In der integrierten Optik treten bei der Verbindung von Wellenleitern Querschnittsänderungen auf. Die sich ausbreitenden Lichtwellen müssen entweder einer aufweitenden oder konzentrierenden Feldweitenänderung unterzogen werden, um abrupte Übergänge mit einer schlechten Koppeleffizienz als Maß für Koppelverluste zu vermeiden. Ziel ist eine adiabatische Feldanpassung, bei der die geführte Lichtleistung in einer Mode erhalten bleibt.
Photonische Kristalle stellen künstliche zweidimensionale Gitter dar, deren periodische Strukturen an die Wellenlänge der Lichtwelle angepasst sind. Durch eine Ausbildung von periodischen Lochanordnungen (oder auch Säulenanordnungen) im lichtführenden Halbleitermaterial bis hinein in die darunter liegende Pufferschicht können unterschiedliche resultierende Brechungsindizes erzeugt werden. So können Bandlücken hervor gerufen werden, in deren Energiezuständen bzw. Frequenzen sich die Lichtwelle nicht ausbreiten kann („verbotene Zone"). Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, durch örtliche Veränderung des Brechungsindex in einem photonischen Kristall einen Wellenleiter als „erlaubtes Gebiet" mit für die Lichtwellen möglichen Energiezuständen bzw. Frequenzen zu erzeugen, in dem das Licht auch bei scharfen Richtungsänderungen sicher geführt wird. Während bei herkömmlichen Lichtwellenleitern hier aufgrund der Brechungsgesetze Transmissionen auftreten können, kann die Lichtwelle im Defektwellenleiter diesen aufgrund ihres Energiezustandes nicht verlassen. Eine Möglichkeit der Erzeugung ist das Vorsehen von Bereichen ohne Tiefenätzung, sodass in diesem Bereich das „Ausbreitungsverbot" für die Wellen aufgehoben wird. In diesem Falle spricht man von einem „Defektwellenleiter". Derartige Defektwellenleiter auf der Basis von photonischen Kristallen zeichnen sich durch eine starke optische Einschnürung aus. Durch diese Eigenschaft können extrem kleine optische Bauelemente mit Flächen von einigen 10 μm2 realisiert werden. Diese kleinen Bauelemente, bei denen der Durchmesser des Defektwellenleiters in einem Bereich von 1 μm liegt, lassen sich allerdings praktisch nicht als Einzelbauelemente nutzen. Außerdem ist das Problem der optischen Kopplung an weitere optische Komponenten, das bei einem Felddurchmesser einer optischen Glasfaser im Bereich von 12 μm sehr groß ist, bislang nicht gelöst. Zu beiden Problemen gibt es im Stand der Technik erste Lösungsansätze.
Neben der allgemein bekannten Möglichkeit, photonische Kristalle mit einer Kantenlänge von unter 100 μm in ein Trägermaterial einzugießen und durch Schleifen und Polieren bis auf die Stirnflächen freizulegen, ist es aus dem Aufsatz [I] „Low-Ioss Channel waveguides with two-dimensional photonic crystal boundaries" (C.J. Smith et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 77, No. 18, Oct. 2000, pp. 2813-2815) bekannt, über einen Schichtwellenleiter ohne laterale Feldführung zu koppeln. In beiden Fällen werden jedoch nur einige Prozent Koppeleffizienz erreicht, die für praktische Anwendungen unakzeptabel sind.
Zur Ankopplung des photonischen Kristalls an seine Umwelt unter Verwendung des Prinzips der einfachen Transformation des optischen Feldes sind mehrere Ansätze veröffentlicht. Aus dem Aufsatz [II] "Coupled-resonator optical waveguide: a proposal and analysis" (A. Yariv et al., Opt. Lett., Vol. 24, No. 11 , June 1999, pp. 711 -713) und dem Aufsatz [III] "Propagation and second- harmonic generation of electromagnetic waves in a coupled-resonator optical waveguide" (Y. Xu et al., J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 17, No. 3, March 2000, pp. 387-400) ist es bekannt, die Gitterabstände des photonischen Kristalls zu ändern. Die Integration eines Feldweitentransformators direkt in das Material des photonischen Kristalls, dessen Herstellung einen sehr zeitaufwändigen Lithographie-Schreibprozess und eine hochgenaue Strukturierung im Nanobe- reich erfordert, ist jedoch unter wirtschaftlichen Aspekten nicht zufrieden stellend. Zur adiabatischen Transformation des Feldes durch laterale Änderung der Translations-Symmetrie wird in dem Aufsatz [IV] „Adiabatic coupling between conventional dielectric waveguides and waveguides with discrete translational symmetry" (Y. Xu et al., Opt. Lett. 25, Vol. 25, No. 10, May 2000, pp. 755-757) eine EinVAuskopplung über einen Schichtwellenleiter außerhalb des photonischen Kristalls, der in Form von einzelnen Säulen ausgebildet ist, beschrieben. Dieser Typ eines photonischen Kristalls ist jedoch aus Stabilitätsgründen weniger interessant als ein photonischer Kristall, der auf der Ausbildung von Löchern beruht. Die für die beschriebene Ankopplung erforderlichen Wellenleiter müssen darüber hinaus so dünn sein, dass die laterale Ausbildung einer Spitze nur sehr schwer herstellbar ist. Ein photonischer Kristall mit Säulenausbildung ist ebenfalls aus dem Aufsatz [V] „Photonic crystal waveguides: Out-of-plane losses and adiabatic modal conversion" (M. Palamaru et al., Appl. Phys. Lett. 78, Vol. 78, No. 11 , March 2001 , pp. 1466-1486) bekannt. Der Wellenleiter wird durch Wegfall mehrerer Säulenreihen erzeugt. Er ist zusätzlich mit Löchern versehen, um seinen Brechungsindex zu ändern. Die Lichtwelle strebt immer in Gebiete mit höherem Brechungsindex. Es wird eine adiabatische Transformation des Feldes durch Verkleinerung des Lochdurchmessers des Defekt-Wellenleiters an dessen Ende in einem Taperbereich beschrieben. In der Richtung der Verkleinerung werden im Taperbereich auch die Säulen verkleinert, um den Ein-/Auskopplungseffekt zu unterstützen. Löcher und Säulen zeigen im Taperbereich eine abnehmende Tiefe. Auch hier gilt, dass die Integration des Feldtransformators in das Material des photonischen Kristalls unter wirtschaftlichen Aspekten bedenklich ist. Außerdem ist eine definierte, hochgenaue Modifikation der Ätztiefe in den extrem kleinen Strukturen technologisch sehr schwer realisierbar. Darüber hinaus ist der Taperbereich äußerst empfindlich gegenüber mechanischen Störeinwirkungen.
Die Integration eines Feldweitentransformators in den photonischen Kristall ist also einerseits herstellungstechnisch ungünstig, andererseits erlaubt sie keine bessere Handhabbarkeit des photonischen Kristalls, der durch die integrierte Taperung sehr zerstörungsempfindlich ist. Wesentlich einfacher in der Herstellung und unempfindlicher in der Handhabung sind Feldweitentransformatoren, die als eigenes optisches Bauelement in eine planare Wellenleiterschaltung monolithisch integriert sind. Die integrierte Kombination hat dann eine gut handhabbare Größe und ist weitgehend unempfindlich gegen mechanische Störeinwirkungen. Eine solche integrierte Kombination ist beispielsweise aus dem Paper [VI] „Monolithic Integration of Lasers, Photodiodes, Waveguides and Spot Size Converters on GalnAsP/lnP for Photonic IC Applications" (M. Hamacher et al., IRPM2000, May 2000, USA, paper MAI.3, p21.24). Bei dem hier beschriebenen „Spotgrößenkonverter" handelt es sich um einen polarisationsunabhängigen Feldweitentransformator in der Ausbildung als Rippenwellenleiter als Schnittstelle zwischen der planaren Wellenleiterschaltung („optischer Chip") und einer Glasfaser. Dazu weist der Rippenwellenleiter eine laterale Taperung auf, die von dem integriert- optischen Wellenleiter auf dem Chip zur Glasfaser hin verläuft. Dadurch wird die Feldführung in der Wellenleiterschicht kontinuierlich erniedrigt, sodass die geführte Lichtwelle nach unten in Richtung auf das Substrat abdriftet. Ein seitliches Auseinanderdriften der Welle wird durch eine konstante Fokussie- rungsrippe („äußere Rippe") abgefangen.
Der Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird in der EP0890121 offenbart. Es wird ein optischer Feldweitentransformator zur adiabatischen, monomodigen Feldanpassung beschrieben, der für eine Ankopplung einer Glasfaser als optischer Komponente an einen integriertoptischen Wellenleiter einer planaren Wellenleiterschaltung in Form einer photonischen integrierten Schaltung ausgebildet ist. Der Feldweiten- transformator, der als eigenständiges Bauelement mit der Schaltung monolithisch integriert ist, weist einen Rippenwellenleiter auf, der in einem Taperbereich mit einer vertikale Taperung der Rippenhöhe versehen ist. Diese kann mit sich ändernder Neigung ausgeführt sein und verläuft bis auf die unterhab der Wellenleiterschicht liegende Pufferschicht. Diese ist im Taperbereich konstant verschmälert und bildet eine konstante Fokussierungs- rippe für die zu führende Lichtwelle. Auch bei der vertikalen Taperung wird die Feldführung im Rippenbereich kontinuierlich erniedrigt und die Lichtwelle nach unten abgedrängt und von der Fokussierungsrippe seitlich abgefangen. Dabei wird auch das Ausbreitungsbild des optischen Feldes angepasst, sodass der bekannte Feldweitentransformator polarisationsunabhängig ist. Die mit dem bekannten Feldweitentransformator zu koppelnden Komponenten weisen ein solches Größenverhältnis auf, dass durch eine einfache Taperung eine adiabatische, monomodige Feldanpassung herbeigeführt werden kann. Zur Kopplung mit einer anderen optischen Komponente mit gegenüber den herkömmlichen Komponenten erheblich verringerten Abmessungen ist der bekannte Feldweitentransformator jedoch nicht geeignet.
Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist es daher, einen Feldweiten- transformator der eingangs beschriebenen gattungsgemäßen Art so auszubilden, dass er zur Feldanpassung zwischen einem integriert-optischen Wellenleiter und einer optischen Komponente geeignet ist, deren Abmessungen erheblich geringer als die des integriert-optischen Wellenleiters sind. Dabei sollen die guten Gebrauchseigenschaften des bekannten Feldweitentrans- formators für größere Komponentenabmessungen erhalten bleiben.
Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe für einen integriertoptischen Feldweitentransformator der zur adiabatischen, monomodigen Feldanpassung zwischen einer optischen Komponente und einem einer planaren Wellenleiterschaltung zugehörigen integriert-optischen Wellenleiter besteht deshalb darin, dass die optische Komponente ein photonischer Kristall mit zumindest einem in einer periodischen Lochanordnung erzeugten Defektwellenleiter ist, von dem sich die vertikale Taperung in Richtung auf den integriert-optischen Wellenleiter erstreckt, und dass der integriert-optische Wellenleiter eine zur vertikalen Taperung der Wellenleiterhöhe kontinuierlich gegenläufige laterale Taperung der Wellenleiterbreite aufweist, wobei beide Taperungen in ihrem Verhältnis von Höhe zu Breite unter Anwendung eines zweidimensionalen numerischen Verfahrens zur Eigenmodenberechnung für eine Erzielung von Monomodigkeit im gesamten Taperbereich dimensioniert sind.
Der erfindungsgemäße Feldweitentransformator als bidirektionale optische Komponente ist mit dem photonischen Kristall monolithisch integriert. Dadurch ist sicher gestellt, dass durch Verbleiben des optischen Feldes in dem Material mit dem höheren Brechungsindex eine Divergenz des optischen Feldes mit hoher numerischer Apertur vermieden wird, wie sie an einfachen Stoß- kopplungsstellen auftritt. Durch das hochbrechende Halbleitermaterial wird über eine starke Einschnürung die gute Feldweitenanpassung erreicht. Der Feldweitentransformator weist in seinem Taperbereich eine doppelte, gegenläufige Taperung auf. Ausgehend vom integriert-optischen Wellenleiter wird der lichtführende Wellenleiter im Feldweitentransformator in Richtung auf den Defektwellenleiter immer schmaler und zugleich immer höher. Dabei legen die Querschnittsabmessungen von dem integriert-optischen Wellenleiter auf der einen Seite und dem Defektwellenleiter auf der anderen Seite Anfangs- und Endquerschnitt des Wellenleiters im Feldweitentransformator in erster Näherung fest. Zwischen seinen beiden Enden erfolgt eine kontinuierliche Querschnittsüberführung zur adiabatischen Anpassung der beiden optischen Felder. Die Hauptkriterien für den Änderungsverlauf sind jedoch die Übereinstimmung der Feldschwerpunkte und die Aufrechterhaltung der Monomodigkeit im Wellenleiter, um Abstrahlverluste bei der Feldanpassung zu vermeiden und um eine hohe Koppeleffizienz zu erreichen. Der Feldschwerpunkt bezeichnet den Mittelpunkt des Ausbreitungsfeldes, dessen Lage in der Wellenleiterschicht von deren Materialzusammensetzung abhängig ist. Erst, wenn die Feldschwerpunkte der zu koppelnden Ausbreitungsfelder zumindest vertikal übereinstimmen, kann eine möglichst große Feldüberlappung erreicht werden. Zur Ermittlung der Schwerpunkte und zur Berechnung der Eigenmoden einer Lichtwelle in Abhängigkeit von den Höhen- und Breitenabmessungen des Wellenleiters existieren eine Reihe von kommerziell erhältlichen, computer- unterstützten Rechenvorschriften, die gut erprobt sind und einfach angewendet werden können.
Mit dem erfindungsgemäßen Feldweitentransformator können bei einer guten Justage der beiden Wellenleiter im Herstellungsprozess zueinander effiziente Kopplungen durch adiabatische Feldanpassung in einer Mode mit Verlusten von unter -1 dB erreicht werden. Gegenüber den weiter oben erwähnten, auf dem Gebiet der photonischen Kristalle bekannten Lösungsansätzen für eine Kopplung ist hier also eine bedeutende Leistungssteigerung zu erkennen. Gegenüber den bekannten Lösungsansätzen für eine adiabatische Feldan- passung weist der erfindungsgemäße Feldweitentransformator wesentliche bessere Gebrauchseigenschaften auf, da er über eine große mechanische Stabilität verfügt. Zudem ist er auch wesentlich einfacher herstellbar. Weiterhin werden durch die monolithische Integration des erfindungsgemäßen Feldweitentransformators mit dem photonischen Kristall Abmessungen in einem Bereich geschaffen, die überhaupt erst eine einfache Handhabung derartig kleiner optischer Komponenten ermöglichen.
Defekt-Wellenleiter in photonischen Kristallen sind sehr schmal (z.B. 0,7 μm) und relativ hoch (z.B. 1 ,2 μm). Wesentlich für die effiziente Feldanpassung bei dem erfindungsgemäßen Feldweitentransformator ist die gute Übereinstimmung der beiden Feldschwerpunkte, das heißt eine gute Feldüberlappung. Diese kann aber bei den Defekt-Wellenleitern, die sich durch Tiefenätzung der Lochanordnung bis hinunter in die Pufferschicht erstrecken, in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung gegebenenfalls nicht allein durch Abtragen der Wellenleiterschicht im Taperbereich erreicht werden. Bei einer Fortführung des erfindungsgemäßen Feldweitentransformators ist deshalb vorgesehen, dass die vertikale Taperung der Wellenleiterhöhe bis in die Pufferschicht hineinreicht. Die gute Feldanpassung zum Defekt-Wellenleiter des photonischen Kristalls wird dann über die starke Einschnürung im hochbrechenden Halbleitermaterial erzielt, indem die vertikale Taperung der lichtführenden Wellenleiterschicht durch dieses Material hindurch nach unten kontinuierlich bis in die niedrigbrechende optische Pufferschicht erfolgt.
Bei der Herstellung von optischen Bauelementen ist insbesondere auch auf deren Größenabmessungen zu achten, die bei der monolithischen Integration in Halbleitermaterialien auch aus Kostengründen möglichst gering, aber noch handhabbar sein sollen. Wenn gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung die vertikale und die laterale Taperung des integriert-optischen Wellenleiters mit sich ändernden Neigungen verlaufen, kann die Länge des Taperbereichs auf das unbedingt notwendige Mindestmaß reduziert werden. Auch wird eine Verbesserung bei der Verlagerung des senkrechten Ausbreitungsbildes erzielt. Dabei können die beiden Taperungen grundsätzlich mit unterschiedlichen Neigungen oder im Falle von linearen Taperungen mit unterschiedlichen Schrägungen verlaufen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der gegenläufigen doppelten Taperung („Verjüngung") der lichtführenden Wellenleiterschicht. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen vergrabenen Wellenleiter handeln, der seitlich isoliert ist und zu seiner Umgebung einen hohen Brechzahlkontrast aufweist. Gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass der integriert-optische Wellenleiter ein Rippenwellenleiter ist, der die vertikale und laterale Taperung im Bereich seiner Rippe aufweist. Gegenüber der Horizontal- strukturierung bei einem vergrabenen Wellenleiter sind Rippenwellenleiter mit einer Vertikalstrukturierung durch einfache Maskentechnik mit Tiefenätzung einfacher herzustellen. Die gegenläufige Taperung bei dem erfindungsgemäßen Feldweitentransformator kann dann herstellungstechnisch relativ einfach durch die entsprechende geometrische Ausbildung der Rippe des Rippenwellenleiters realisiert werden. Wie bereits weiter oben ausgeführt, wird ein photonischer Kristall erst durch die monolithische Integration mit dem erfindungsgemäßen Feldweitentransformator relativ einfach handhabbar. Auch werden unterschiedliche Anbindungen der photonischen Bauelementeinseln mit Justagetoleranzen im Submikro- meterbereich an andere optische Komponenten möglich. Dafür ist es gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Feldweitentransformators nach der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn der integriert-optische Wellenleiter mit zumindest einem weiteren integriert-optischen Wellenleiter eines weiteren Feldweitentransformators monolithisch integriert verbunden ist. Durch diese konstruktive Ausgestaltung wird ein optischer Adapter mit zwei oder mehr Schnittstellen geschaffen, die intern über den integriert-optischen Wellenleiter, bei dem es sich insbesondere um einen Rippenwellenleiter handeln kann, verbunden. Die erste Schnittstelle ist immer mit dem Defektwellenleiter des photonischen Kristalls verbunden, die anderen Schnittstelle in den weiteren Feldweitentransformatoren sind jedoch frei verfügbar. Diese können zur Ankopplung an verschiedene Komponenten unterschiedlich gestaltet sein. Insbesondere kann nach einer nächsten Erfindungsfortführung vorgesehen sein, dass der zumindest eine weitere Feldweitentransformator zur Feldanpassung an einen weiteren Defektwellenleiter in einem photonischen Kristall ausgebildet ist. Der weitere Feldweitentransformator hat dann einen zu dem ersten Feldweitentransformator identischen Aufbau. In der Ausgestaltung als multipler optischer Adapter können dann komplette Netzwerke zur optischen Vernetzung einer Vielzahl von optischen Kristallen in monolithisch integrierter Bauform auf einem gemeinsamen optischen Chip hergestellt werden.
Des Weiteren kann gemäß einer anderen Erfindungsausgestaltung auch vorgesehen sein, dass der zumindest eine weitere Feldweitentransformator zur Feldanpassung an eine monomodige optische Glasfaser ausgebildet ist. Damit ist eine Ankopplung der photonischen Bauelementinseln über eine oder mehrere Glasfasern an eine Umwelt außerhalb des monolithisch integrierten Chips möglich. Der weitere Feldweitentransformator kann dabei insbesondere wie in der EP 0890121 offenbart mit einer TM-Fokussierungsrippe ausgebildet sein. Der Adapter hat nunmehr keinen symmetrischen Aufbau mehr, sondern zeigt unterschiedliche Schnittstellenausbildungen. Der diese verbindende integriert-optische Wellenleiter im Adapter zeigt zunächst vom Defekt- Wellenleiter kommend eine flacher werdende Verbreiterung, die dann wieder in eine höherwerdende Verschmälerung übergeht. In der Mitte zwischen den Schnittstellen hat der integriert-optische Wellenleiter dabei einen Querschnitt, den an das optische Feld eines photonischen Schaltkreises (PIC) angepasst ist. Dieser kann auch das anzukoppelnde weitere optische Bauelement sein, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsweiterbildung der zumindest eine weitere Feldweitentransformator zur Feldanpassung an einen photonischen Schaltkreis ausgebildet ist. Mittels eines solchen Adapters können dann komplette optische Schaltungen in einer gemeinsamen optischen Integration hergestellt werden.
Sinnvoll ist die beschriebene Zusammenführung insbesondere, wenn alle beteiligten Komponenten einen ähnlichen Schichtaufbau aufweisen und daher gleichzeitig prozessiert werden können. Außerdem müssen sie alle mono- modig arbeiten. Es kann sich dabei beispielsweise um den Anschluss eines oder mehrerer Laser oder um Wellenleiterzuführungen zu einer oder mehreren Photodioden handeln. Bei besonders aufwändig herzustellenden optischen Komponenten, die einen komplexen Schichtenaufbau aufweisen oder multimodig ausgelegt sind, ist eine Ausbildung des Feldweitentransformators nach der Erfindung vorteilhaft, bei der der integriert-optische Wellenleiter eine Schnittstelle zur Stoßkopplung mit einer weiteren optischen Komponente, insbesondere eines optischen Boards, aufweist. Eine Stoßkopplung hat zwar eine gegenüber integrierten Kopplungen geringere Koppeleffizienz, lässt dafür aber auch unterschiedliche Materialkombinationen zu, beispielsweise zwischen den kostspieligen Verbindungshalbleitern mit den preiswerteren Silicon-, Silica- oder Polymermaterialien. Da die Fläche des verwendeten Halbleitermaterials durch die notwendigen vielen Prozessschritte zur Herstellung von integrierten Schaltungen mit opto-elektronischen Elementen (OEIC) wie Lasern und Photodetektoren „wertvoll" ist, und diese Prozessschritte unter Umständen nicht mit dem Prozessschritten zur Herstellung des optischen Schaltungsnetzwerks identisch sind, kann eine planar-hybride Integration in vielen Fällen wirtschaftlich günstiger sein als eine völlig monolithische Lösung. Die OEICs, die ultrakompakte photonische-Kristall-Bauelemente mit den Tapem der vorliegenden Erfindung enthalten, die als diskrete Chips gar nicht mehr mechanisch zu greifen wären, werden dann mit ihrer Oberseite nach unten („up-side-down") in Flip-Chip-Technik in mechanische Führungen auf dem optischen Board eingelegt, erforderlichenfalls beim elektrischen Kontaktieren aktiv an die integriert-optischen Wellenleiter justiert und bis zum Ende der Ausbildung der Flip-Chip-Verbindung mechanisch fixiert. Diese Technologie kann man analog zur mikroelektronischen Multi-Chip-Modultechnik sehen, bei der auch bestimmte Funktionen in einem Chip monolithisch untergebracht werden und diese Chips dann auf einem Trägerchip („mother board") eine planar-hybrid-integrierte Einheit bilden, an die dann Außenwelt angekoppelt wird.
Zwischen den beiden anzupassenden Wellenleitern im erfindungsgemäßen Feldweitentransformator muss bei der Dimensionierung des Taperbereichs die Bedingung der Monomodigkeit erfüllt sein. Bei einer Verwendung von Wellenleitervernetzungen unter Nutzung von interferometrischen Effekten (z.B. genutzt in Richtkopplern oder Multimode-Interferenz-Kopplern) ist eine monomodige Auslegung erforderlich. Beispielsweise für die Zuführungswellenleiter zu Photodioden kann jedoch gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Feldweitentransformators nach der Erfindung vorteilhaft vorgesehen sein, dass der integriert-optische Wellenleiter im Anschluss an den Taperbereich einen Auslaufbereich aufweist, in dem bei der geometrischen Dimensionierung die Bedingung der Monomodigkeit aufgegeben und Multimodigkeit zugelassen ist. Durch eine derartige Ausgestaltung erlangt der erfindungsgemäße Feldweitenweitentransformator einer besondere Einsatzflexibilität, die durch die unterschiedlichen Adapterausführungen ohnehin bereits sehr groß ist. Photonische Kristalle können auch mehrere parallele Defektwellenleiter oder verzweigte Defektwellenleiter aufweisen. Nach einer anderen Erfindungsausgestaltung der Erfindung ist es deshalb vorteilhaft, wenn der Feldtransformator nach der Erfindung mit weiteren Feldtransformatoren gleicher Bauart parallel an verschiedene Defektwellenleiter eines photonischen Kristalls monolithisch integriert angekoppelt ist. So ist jeder Defektwellenleiter mit einem eigenen Feldweitentransformator nach der Erfindung monolithisch integriert. Die Verzweigung kann leistungsabhängig oder wellenlängenselektiv über eine entsprechende Weiche (oder Vereiniger) erfolgen. An die einzelnen Defekt- Wellenleiter können dann über integriert-optische Wellenleiter verschiedene monolithisch integrierte optoelektronische Bauelemente (beispielsweise Laseroder Photodioden) angekoppelt sein.
Je nach Anwendungsfall können der erfindungsgemäße Feldweitentransforma- tor oder seine Ausbildungsformen in unterschiedlichen Schichtaufbauten realisiert sein. Nach einer nächsten Erfindungsfortführung kann zum einen vorgesehen sein, dass der monolithisch integrierte Schichtaufbau in einem höherbrechenden, insbesondere quaternären, lll-V- Halbleiter-Verbindungsmaterial als Wellenleiterschicht und einem dazu niederbrechenden, insbesondere binärem, Ill-V-Halbleiter-Verbindungsmaterial als optische Begrenzungsschicht ausgebildet ist. Eine übliche Materialpaarung ist beispielsweise GalnAsP mit einer Vakuumwellenlänge von 1 ,3 μm und InP. Zum anderen kann aber auch bei der Erfindung vorteilhaft vorgesehen sein, dass der monolithisch integrierte Schichtaufbau in einem höherbrechenden Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, als Wellenleiterschicht und einem dazu niederbrechenden Halbleitermaterial, insbesondere SiOx, als optische Begrenzungsschicht ausgebildet ist. Dadurch kann beispielsweise eine Ankopplung an einen weiteren PIC aus einem siliziumbasierten Hableitermaterial (Silicon-on-lsolator SOI), der als optisches Board zur Aufnahme von lll/V-PICs oder -OEICs dient, realisiert werden. Auf dem optischen Board wird dann die Verbindung zur Glasfaserwelt sowie die optische Vernetzungsschaltung auf einem preiswerten Materialsystem ausgeführt. In den OEICs können dann in einem adäquaten Materialsystem die Laser- und Detektorfunktionen monolithisch integriert mit photonischen-Kristall-Bauelementen realisiert sein.
Der erfindungsgemäße Feldweitentransformator ist aufgrund seines kompakten Aufbaus relativ einfach herstellbar. Insbesondere kann die vertikale Taperung der Höhe des integriert-optischen Wellenleiters mittels Übertragung einer vertikal getaperten Lackrampe erzeugt werden. Epitaktische (einkristalline) Aufwachsungsverfahren zur Herstellung sowohl von lateralen Taperungen (Belichtung durch ortsfeste Lackmaske) als auch von vertikalen Taperungen (Belichtung durch ortsveränderliche Lackmaske, vergleiche EP0973188) für Feldweitentransformatoren sind an sich bekannt. Bei dem doppelt getaperten Feldweitentransformator nach der Erfindung, beispielsweise in der Ausbildung mit einem Rippenwellenleiter, werden beide bekannte Verfahren miteinander kombiniert. Zunächst erfolgt ein epitaktischer Schichtaufbau des Ausgangsmaterials. Dann wird die Halbleiterrippe mit einer ersten Maske (z. B. aus SiNx-Material) mit lateraler Taperung definiert und in einem Trockenätzschritt ausgebildet. Zur Ausbildung der vertikalen Taperung wird dann mittels einer während der photolithographischen Belichtung der Photolackschicht verschieblichen zweiten Maske der Photolack unterschiedlich lange belichtet, was zu einer Ausbildung einer vertikalen Lackrampe nach der Entwicklung führt. Durch eine weiteren Trockenätzschritt wird dann die vertikale Lacktaperung auf den bereits lateral getaperten Rippenwellenleiter bis gegebenenfalls in die Pufferschicht übertragen, sodass dieser nun die angestrebte doppelte Taperung in den gewünschten Abmessungen aufweist.
Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren, die zur besseren Anschauung in teilweise stark verzerrter Skalierung dargestellt sind, näher erläutert. Dabei zeigt : Figur 1 eine räumliche Ansicht des erfindungsgemäßen Feldweitentransformators,
Figur 2 ein Diagramm zur Feldanpassung durch die doppelte Taperung des Feldweitentransformators, Figur 3 einen dualen Adapter zur Kopplung eines Defektwellenleiters mit einer Glasfaser,
Figur 4 einen weiteren dualen Adapter zur Kopplung eines Defektwellenleiters mit einer Glasfaser,
Figur 5 einen multiplen Adapter zur Herstellung eine Netzwerks aus photonischen Kristallen,
Figur 6 eine parallele Anbindung eines photonischen Kristalls an verschiedene optoelektronische Bauelemente,
Figur 7 eine leistungsabhängige Anbindung eines photonischen
Kristalls an verschiedene optoelektronische Bauelemente und Figur 8 eine wellenlängenabhängige Anbindung eines photonischen
Kristalls an verschiedene optoelektronische Bauelemente.
Die Figur 1 zeigt einen integriert-optischen Feldweitentransformator 1 zur adiabatischen, monomodigen Feldanpassung zwischen einem photonischen Kristall 2 und einem integriert-optischen Wellenleiter 3, die beide in einer Wellenleiterschicht 4 monolithisch ausgebildet sind. Unterhalb der Wellenleiterschicht 4 schließt sich ein Schichtenaufbau aus zumindest zwei Pufferschichten 5, 6 und einer Leitschicht 7 auf einem Substrat 8 an. Der Wellenleiter 3 ist im gewählten Ausführungsbeispiel als Rippenwellenleiter 9 ausgebildet. Der photonische Kristall 2 als Bauelementeinsel mit Größenabmessungen im Submikrometerbereich weist eine periodische Lochanordnung 10 auf. Durch die bohrungsartigen Tiefenätzungen 11 , die sich bis in die obere Pufferschicht 5 erstrecken, wird in diesem Bereich der resultierende Brechungsindex so verändert, dass eine Bandlücke für die Lichtwelle entsteht. Diese kann sich nur in einem Defektwellenleiter 12 ausbreiten, der durch Wegfall der Tiefenätzung strukturiert ist.
Der Feldweitentransformator 1 weist einen Taperbereich 13 auf, in dem der Rippenwellenleiter 9 doppelt getapert ist. Zum einen erstreckt sich eine vertikale Taperung 14 der Höhe H der Rippe 16 vom Defektwellenleiter 12 in Richtung auf den Rippenwellenleiter 9. Zum anderen läuft der vertikalen Taperung 14 eine laterale Taperung 15 der Breite B der Rippe 16 entgegen (in Figur 1 durch entsprechende Pfeile angedeutet). Durch die doppelte, gegenläufige Taperung wird die Rippe 16 des Rippenwellenleiters 9 in Richtung auf den photonischen Kristall 2 immer schmaler und höher. Dabei ist der Querschnittsverlauf von zwei Kriterien abhängig. Zunächst muss im gesamten Taperbereich 13 Monomodigkeit gewährleistet sein (vergleiche Figur 2). Außerdem muss zur Erzeugung einer möglichst großen Feldüberlappung eine zumindest vertikale Ausrichtung der Schwerpunkte der optischen Felder von Defektwellenleiter 12 und Rippenwellenleiter 9 erreicht werden (vergleiche Figur 3). Dazu kann es in Abhängigkeit von der Effektivität der gewählten Halbleitermaterialkombination erforderlich sein, die vertikale Taperung 14 bis in die obere Pufferschicht 5 laufen zu lassen (im gewählten Ausführungsbeispiel in Figur 1 dargestellt). Dadurch ist die Höhe H als Maß der vertikalen Taperung 14 ein durch kontrollierte Tiefenätzung einstellbarer Parameter für die Feldüberlappung und damit für die zu erreichende Koppeleffizienz von unter -1 dB des Feldweitentransformators 1 nach der Erfindung.
In der Figur 2 ist ein Diagramm zur Ermittlung des richtigen Verhältnisses Höhe H zu Breite B der lichtführenden Wellenleiterschicht 4, im gewählten Ausführungsbeispiel der Rippe 16 des Rippenwellenleiters 9, dargestellt. Das hexagonale Lochmuster hat einen Lochabstand (Gitterkonstante) von 0,4 μm. Dies entspricht einem Materialfüllfaktor von 0,6. Die optische Feldbreite beträgt 0,6 μm. Zur Verdeutlichung sind die entsprechenden Rippenquerschnitte im Taperbereich 13 zugeordnet. Die Simulation wurde mit einem anmelder- eigenen Rechenprogramm erstellt (die gleiche Simulation kann beispielsweise mit dem kommerziell erhältlichen Programm „FullWAVE" der Firma RSOFT durchgeführt werden), das eine zweidimensionale Methode der finiten Differenzen für TE- und TM-Moden anbietet. Es werden in Abhängigkeit von der Höhe H der Rippe 16 und deren Breite B getrennt für die TE-Mode und die TM-Mode die Ausbreitungsfelder berechnet. Dargestellt ist das TE-Moden- Ausbreitungsbild für eine quaternäre Wellenleiterschicht 4 mit einer der Energielücke äquivalenten Vakuumwellenlänge von 1 ,3 μm (Q-1 ,3 μm GalnAsP) auf einer binären Pufferschicht 5 (InP). Bei der Berechnung werden die Abmessungen so gewählt, dass keine Nebenmoden in der Rippe 16 auftreten und maximale Feldüberlappungen an Anfang und Ende des Taperbereichs 13 erreicht werden. Am Übergang zum photonischen Kristall 2 hat die Rippe 16 eine Höhe H, die bis in die Pufferschicht 5 hineinreicht. Im Diagramm ist auch zu erkennen, dass der Zusammenhang zwischen Höhe H und Breite B in einem großen Abschnitt linear ist.
In der Figur 3 ist ein dualer Adapter 20 dargestellt, der zur Ankopplung des Defektwellenleiters 12 mit einer optischen Glasfaser 21 dient. Mit dem Feldweitentransformator 1 zur Kopplung des Defektwellenleiters 12 mit dem Rippenwellenleiter 9 ist ein weiterer Feldtransformator 22 monolithisch integriert, der der Kopplung eines Rippenwellenleiters 23 mit der Glasfaser 21 dient. Ein solcher Feldweitentransformator 22 ist aus der EP 0890121 bekannt und weist eine vertikale Taperung mit veränderlicher Neigung auf. Die Figur 4, zeigt ebenfalls einen dualen Adapter 30 zur Ankopplung an eine optische Glasfaser 31 mit einem ähnlichen weiteren Feldweitentransformator 32, der aus dem oben zitierten Paper [VI] bekannt ist und in seinem Rippenwellenleiter 33 ausschließlich eine laterale Taperung aufweist, der bekannte Feldweitentransformator 32 dient der Aufweitung des optisches Feldes eines typischen GalnAsP/lnP-Chipwellenleiters für die Wellenlänge von 1 ,5 μm (z.B. Rippen- breite: 2 μm; Rippen- und Schichtmaterial: GalnAsP-Material mit einer der Energielücke äquivalenten Vakuumwellenlänge von 1 ,3 μm (kurz: Q-1 ,3); Q- 1 ,3-Dicke: 1 μm; Rippenhöhe: 0,3 μm; Q-1 ,3-Leitschicht unterhalb des Rippenwelleiters) auf das optische Feld einer Standard-Einmodenglasfaser. Der monolithisch integrierte photonische Kristall 2 nutzt die gleiche Q-1 ,3- Schicht zur Erzeugung der Vertikalführung. Die Wirkung der beiden Feldweitentransformatoren 22, 32 ist identisch, bei beiden wird die Lichtwelle nach unten gedrängt. Welche Ausführungsform gewählt wird, hängt von den eingesetzten Materialien und den Einbaubedingungen ab.
Weiterhin sind Kombinationen des Feldweitentransformators nach der Erfindung mit einem weiteren Feldweitentransformator zur Ankopplung an einen photonischen Schaltkreis oder mit einem identischen Feldweitentransformator nach der Erfindung zur Ankopplung an einen weiteren Defektwellenleiter eines weiteren photonischen Kristalls möglich. Zum Anschluss von nicht-integrierten Komponenten kann der Feldweitentransformator auch direkt am Ende seines Taperbereiches eine Stoßstelle aufweisen. Dort kann auch ein Abschnitt eines integriert-optischen Wellenleiters vorgesehen sein, in dem zum Anschluss eines mehrmodig arbeitenden Bauelements die Bedingung der Monomodigkeit aufgegeben worden ist und sich mehrere Moden parallel ausbreiten können.
In den vorhergehenden Figuren wurden Adapter mit zwei Schnittstellen gezeigt. In der Figur 5 ist ein multipler Adapter 40 mit drei Schnittstellen in monolithisch integrierter Bauform dargestellt, mit dessen Hilfe ein optisches Netzwerk 41 aus mehreren photonischen Kristallen 42, 43, 44 als Bauele- mentinseln hergestellt werden kann. Die Kopplung zu deren Defektwellenleitern 45, 46, 47 erfolgt über mehrere Feldweitentransformatoren 1, 48, 49 nach der Erfindung (in der Figur angedeutet durch ein Symbol mit einer doppelten, gegenläufigen Taperung), die über einen Rippenwellenleiter 9 in Y- Form verbunden sind und unterschiedliche, jeweils an den zu koppelnden photonischen Kristalle 42, 43, 44 angepasste Dimensionierungen aufweisen können. Dargestellt ist eine 3dB-Aufteilung der Pfade im Y, andere Auftei- lungen, insbesondere mit einer leistungserhaltenden Kopplungsanordnung, sind möglich. Vorteil einer solchen Anordnung ist ihr geringer Platzbedarf und die gute Integration der sehr kleinen photonischen Kristalle. Ein derartiger monolithisch integrierter Adapter mit mehreren Ausgangsschnittstellen ist auch zur Ankopplung von mehreren Glasfasern, integriert-optischen Komponenten oder anderen optischen Bauelementen zur Ankopplung an einen oder mehrere Defektwellenleiter photonischer Kristalle ausbildbar.
In den Figuren 6, 7 und 8 ist ein paralleler Einsatz von mehreren Feldweiten- transformatoren nach der Erfindung gezeigt, die an mehrere Defektwellenleiter monolithisch integriert angekoppelt sind. In der Figur 6 sind in den photonischen Kristalle 50 vier parallele Defektwellenleiter 51 integriert. Jeder Defektwellenleiter 51 ist über einen Feldweitentransformator 52 nach der Erfindung mit einem integriert-optischen Wellenleiter 53 mit einem optoelektronischen Bauelement 54...57 verbunden. Hierbei kann es sich beispielsweise um Laser- oder Photodioden handeln. Der photonische Kristall 60 in der Figur 7 zeigt einen Defektwellenleiter 61 , der sich über eine integrierte Y-Weiche als 3dB-Koppler in zwei Defektwellenleiter 62, 63 aufteilt. Diese sind über zwei Feldweitentransformatoren 64, 65 mit zwei integriert optischen Wellenleitern 66, 67 verbunden, die zu zwei monolithisch integrierten optoelektronischen Bauelementen 68, 69 führen. In der Figur 8 schließlich zeigt ein photonischer Kristall 70 einen Defektwellenleiter 71, der die Lichtsignale wellenlängenabhängig über eine integrierte wellenlängenselektive Weiche, die als bidirektionales Bauelement auch als wellenlängenselektiver Vereiniger arbeiten kann, auf zwei Defektwellenleiter 72, 73 leitet. Diese sind dann wiederum mit zwei Feldweitentransformatoren 74, 75 nach der Erfindung über zwei integriert optische Wellenleiter 76, 77 mit zwei monolithisch integrierten optikelektronischen Bauelementen 78, 79 verbunden. Bezugszeichenliste
I Feldweitentransformator nach der Erfindung 2 photonischer Kristall
3 integriert-optischer Wellenleiter
4 Wellenleiterschicht
5 obere Pufferschicht
6 untere Pufferschicht 7 Leitschicht
8 Substrat
9 Rippenwellenleiter
10 periodische Lochanordnung
I I bohrungsartige Tiefenätzung 12 Defektwellenleiter
13 Taperbereich
14 vertikale Taperung
15 laterale Taperung
16 Rippe 20 dualer Adapter
21 optische Glasfaser
22 weiterer Feldweitentransformator
23 Rippenwellenleiter 30 dualer Adapter 31 optische Glasfaser
32 weiterer Feldweitentransformator
33 Rippenwellenleiter
40 multipler Adapter
41 optisches Netzwerk 42, 43, 44 photonischer Kristall
45, 46, 47 Defektwellenleiter 48, 49 Feldweitentransformator nach der Erfindung
50 photonischer Kristall
51 Defektwellenleiter
52 Feldweitentransformator nach der Erfindung 53 integriert-optischer Wellenleiter
54...57 optoelektronisches Bauelement
60 photonischer Kristall
61, 62, 63 Defektwellenleiter
64, 65 Feldweitentransformator nach der Erfindung 66, 67 integriert-optischer Wellenleiter
68, 69 optoelektronisches Bauelement
70 photonischer Kristall
71 , 72, 73 Defektwellenleiter
74, 75 Feldweitentransformator nach der Erfindung 76, 77 integriert-optischer Wellenleiter
78, 79 optoelektronisches Bauelement
B Wellenleiterbreite
H Wellenleiterhöhe TE vertikale Modenkomponente
TM horizontale Modenkomponente

Claims

Patentansprüche
1. Integriert-optischer Feldweitentransformator (1) zur adiabatischen, monomo- digen Feldanpassung zwischen einer optischen Komponente und einem einer planaren Wellenleiterschaltung zugehörigen integriert-optischen Wellenleiter (3), der in einem Taperbereich (13) eine kontinuierliche, bis zumindest auf die Pufferschicht (5) zwischen Wellenleiterschicht (4) und Leitschicht (7) verlaufende vertikale Taperung (14) der Wellenleiterhöhe (H) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente ein photonischer Kristall (2) mit zumindest einem in einer periodischen Lochanordnung (10) erzeugten Defektwellenleiter (12) ist, von dem sich die vertikale Taperung (14) in Richtung auf den integriertoptischen Wellenleiter (3) erstreckt, und dass der integriert-optische Wellenleiter (3) eine zur vertikalen Taperung (14) der Wellenleiterhöhe (H) kontinuierlich gegenläufige laterale Taperung (15) der Wellenleiterbreite (B) aufweist, wobei beide Taperungen (14, 15) in ihrem Verhältnis von Höhe zu Breite unter Anwendung eines zweidimensionalen numerischen Verfahrens zur Eigenmodenberechnung für eine Erzielung von Monomodigkeit im gesamten Taperbereich (13) und für eine zumindest vertikale Übereinstimmung der Feldschwerpunkte dimensioniert sind.
2. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Taperung (14) der Wellenleiterhöhe (H) bis in die Pufferschicht (5) hineinreicht.
3. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale und die laterale Taperung des integriert-optischen Wellenleiters mit sich ändernden Neigungen verlaufen.
4. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der integriert-optische Wellenleiter (3) ein Rippenwellenleiter (9) ist, der die vertikale und laterale Taperung (14, 15) im Bereich seiner Rippe (16) aufweist.
5. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der integriert-optische Wellenleiter (3) mit zumindest einem weiteren integriertoptischen Wellenleiter (9) eines weiteren Feldweitentransformators (22; 32; 48, 49) monolithisch integriert verbunden ist.
6. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine weitere Feldweitentransformator (48, 49) zur Feldanpassung an einen weiteren Defektwellenleiter (46, 47) in einem photonischen Kristall (43, 44) ausgebildet ist.
7. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine weitere Feldweitentransformator (22; 32) zur Feldanpassung an eine monomodige optische Glasfaser (21 ; 31) ausgebildet ist.
8. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine weitere Feldweitentransformator zur Feldanpassung an einen photonischen Schaltkreis ausgebildet ist.
9. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der integriert-optische Wellenleiter eine Schnittstelle zur Stoßkopplung mit einer weiteren optischen Komponente, insbesondere eines optischen Boards, aufweist.
10. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der integriert-optische Wellenleiter im Anschluss an den Taperbereich einen Auslaufbereich aufweist, in dem bei der geometrischen Dimensionierung die Bedingung der Monomodigkeit aufgegeben und Multimodigkeit zugelassen ist.
11. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit weiteren Feldtransformatoren (52; 64, 65; 74, 75) gleicher Bauart parallel an verschiedene Defektwellenleiter (51 ; 62, 63; 72, 73) eines photonischen Kristalls (50; 60; 70) monolithisch integriert angekoppelt ist.
12. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der monolithisch integrierte Schichtaufbau in einem höherbrechenden, insbesondere quaternären, lll-V- Halbleiter-Verbindungsmaterial als Wellenleiterschicht und einem dazu niederbrechenden, insbesondere binärem, lll-V- Halbleiter-Verbindungsmaterial als optische Begrenzungsschicht ausgebildet ist.
13. Integriert-optischer Feldweitentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der monolithisch integrierte Schichtaufbau in einem höherbrechenden
Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, als Wellenleiterschicht und einem dazu niederbrechenden Halbleitermaterial, insbesondere SiOx, als optische
Begrenzungsschicht ausgebildet ist.
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