WO2004040358A2 - Optisches bauelement mit einer mach-zehnder-struktur - Google Patents

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WO2004040358A2
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Zhan Gao
Ingo Baumann
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    • G02B6/29397—Polarisation insensitivity

Definitions

  • the invention relates to an optical component with a Mach-Zehnder waveguide structure with two waveguides, the optical component being such that it is polarization-independent for at least one operating mode or application.
  • optical component is described in the article "Polarization-Independent Silica-on-Silicon Mach-Zehnder Interferometers" (Henry H. Yaffe, Charles H. Henry, Rudolf F. Kazarinov, Michele A. Milbrodt, Journal of Lightwave Technology, Vol. 12, No. 1, Jan. 1994.
  • the optical component is a wavelength splitter based on glass waveguides, and a Mach-Zehnder structure is connected on the output side to a directional coupler, the two It depends on the wavelength of the light fed into the Mach-Zehnder structure at which of the two outputs the light leaves the directional coupler.
  • the optical component works independently of polarization. The polarization independence is achieved by the fact that under the waveguide core
  • Glass waveguide is arranged a silicon nitride layer.
  • the optical component is a polarization divider or switch, that is to say a component which separates light with a TE polarization from the light with a TM polarization.
  • the device is switched by heating a waveguide arm of the Mach-Zehnder structure, i.e. using the thermo-optical effect.
  • MZI switches Mach-Zehnder interferometer switches
  • 3dB divider Mach-Zehnder interferometer switches
  • the invention is based on the object of specifying an optical component in which the polarization-independent behavior is brought about in a particularly simple manner.
  • Polarization independence of at least one of the two waveguides of the Mach-Zehnder waveguide structure is segmented and has at least two waveguide regions with different waveguide cross-sections, in particular different waveguide widths.
  • a major advantage of the optical component according to the invention is that the polarization independence is achieved very easily.
  • the segmentation of one of the two waveguides into two waveguide regions thus creates an additional degree of freedom when optimizing the optical component.
  • a polarization-independent behavior is already achieved through the choice of the waveguide cross sections or the waveguide widths and the section lengths; Additional process steps, such as laser trimming of an amorphous silicon layer, are therefore omitted in the component according to the invention.
  • Additional material layers such as a silicon nitride layer under the waveguide core of the
  • Waveguides are unnecessary in the component according to the invention. Because the polarization independence through the choice of the waveguide geometry or the waveguide widths, this can be taken into account particularly easily already in the “mask plane” - that is to say when designing the waveguide mask for the lithography of the later waveguides.
  • the concrete calculation and definition of the waveguide cross sections and the lengths of the Waveguide areas are made by "trying out” or, for example, by simulation calculations, which are explained in detail below.
  • Another significant advantage of the component according to the invention is that it can also be polarization-independent if "material stress" is exerted on the waveguide or on the waveguide by a change in temperature, for example due to an externally forced phase shift Switching modules based on gas waveguides generate a mechanical tension in the waveguide material when one of the two waveguides is heated.
  • This mechanical tension makes the polarization-independent or largely polarization-independent material in the voltage-free state itself polarization-dependent.
  • Even a polarization dependency due to such material tensions or such a " Material stresses can be compensated for by the segmentation of at least one of the two waveguides according to the invention, namely by suitably selecting the waveguide geometries in advance n.
  • the optical component can be, for example, a wavelength filter or a wavelength splitter. It is also considered advantageous if the optical component forms a switching module that has two switching states and the Mach-Zehnder waveguide structure forms a switching zone that determines the switching states of the switching module as a function of the phase shift between the two waveguides.
  • the optical switching module is to have a 1X1 switching function, for example, this can be achieved in a simple manner and thus advantageously if the switching zone is connected on the input side and on the output side to a 3dB divider, forming a Mach-Zehnder interferometer switch.
  • a 1X2 switching structure can also advantageously be formed with the optical component according to the invention, in that the switching zone is connected on the input side to a 3dB divider and on the output side to a 3dB directional coupler to form an IX2 directional coupler switch.
  • the optical component has a 2X2 switching function; this can be achieved in a simple manner and thus advantageously if the switching zone is connected on the input side and on the output side to a 3dB directional coupler.
  • the component according to the invention can advantageously also be combined with further switching modules of the same type, so that any NX M switching matrices can be formed.
  • an additional degree of freedom or an additional parameter for setting the polarization independence is provided;
  • Such a parameter is advantageously provided in that the two waveguides have different lengths in the area of the switching zone. The length difference can then be dimensioned so that the desired switching behavior is achieved.
  • a particularly high degree of polarization independence can advantageously be achieved if the one waveguide has three waveguide regions and is constructed with mirror symmetry with respect to the center of the waveguide.
  • phase shift between the waveguides in the switching zone can be achieved in a particularly simple and thus advantageous manner if a thermo-optical, an electro-optical and / or a charge carrier injection effect is used for the phase shift.
  • Glass waveguides are particularly low-loss waveguides, so that it is considered advantageous if the optical switching module has waveguides made of glass.
  • an amorphous silicon layer lies on the cladding layer of the waveguide. Waveguides with such an amorphous silicon layer are in the above Article [1] described.
  • a switching module is to be formed with the optical component, it is considered to be advantageous if the optical component has two switching states and the waveguide cross sections, in particular those
  • Waveguide widths, and the length of the waveguide areas are dimensioned to one another such that the optical component is polarization-independent at least for the two switching states.
  • the waveguide cross sections, in particular the waveguide widths, and the length of the waveguide regions are dimensioned taking into account the material stresses due to the heating up of the component.
  • the invention also relates to a method for producing an optical component, in which a Mach-Zehnder waveguide structure is produced with two waveguides in such a way that the optical component is independent of polarization.
  • the object of the invention is to specify a method in which the polarization-independent behavior of the optical component is brought about in a particularly simple manner.
  • This object is achieved in that at least one of the two waveguides of the Mach-Zehnder Waveguide structure is segmented and at least two waveguide areas with different waveguide cross-section are formed and the waveguide cross-sections and the length of the
  • Waveguide areas are dimensioned in relation to one another in such a way that the optical component is independent of polarization.
  • Figure 1 shows an embodiment for a
  • Glass waveguide as can be used in an optical switching module according to the invention or used to carry out the method according to the invention,
  • FIG. 2 shows an MZI switch according to the prior art
  • FIG. 3 the switching behavior in the MZI switch according to FIG. 2,
  • Figure 4 is a diagram showing the dependency of the PDL
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment for an optical switching module according to the invention
  • FIG. 6 shows the switching behavior of the optical switching module according to FIG. 5
  • Figure 8 shows another embodiment for an optical switching module according to the invention.
  • a glass waveguide 1 is shown in FIG.
  • the glass waveguide 1 has a core region 2 which has a higher refractive index than the cladding layer 3 surrounding it.
  • An amorphous silicon layer 4 is applied to the cladding layer 3.
  • the thickness and the width of the silicon layer 4 are adjusted by laser trimming in such a way that the waveguide 1 is largely independent of polarization.
  • the silicon layer 4 has the task of compensating for the material stresses present in the waveguide 1, as a result of which the polarization-independent behavior of the waveguide 1 is achieved.
  • FIG. 2 shows a non-optimized MZI switch according to the prior art.
  • An input waveguide 8 can be seen, to which a 3dB divider 10 is arranged.
  • a switching zone 15 is connected to the 3dB divider 10, in which two waveguides 20 and 25 run in parallel.
  • two heaters 30 and 35 are attached, with which the waveguides 20 and 25 can be heated.
  • a further 3dB divider 40 connects to the switching zone 15, to which an output waveguide 45 with an output 50 is connected.
  • the two waveguides 20 and 25 in the switching zone 15 are of the same length (e.g. 4 mm long) and have the same waveguide cross section (e.g. 5 ⁇ m wide). Due to the heating of the lower waveguide 20, for example, there is a change in material stress, so that the MZI switch becomes polarization-dependent.
  • the output power at output 50 is as follows
  • P denotes the normalized optical output power at the output 50 of the MZI switch, namely normalized to the input power at the input of the input waveguide 8.
  • I ⁇ reJ or L ⁇ ⁇ / J denotes the phase shift between the two waveguides 20 and 25 due to the mechanical material stress that occurs when the lower waveguide 20 is heated, ⁇ denotes the
  • L ⁇ r- ⁇ J and L ⁇ rAfJ now depends on whether the waveguide is heated or not, since a material stress occurs only in the case of heating.
  • L ⁇ ⁇ E] and d L ⁇ r ⁇ fJ are calculated as follows for the TE mode and the TM mode:
  • neff TE and neff T denote the effective refractive indices of the two waveguides 20 and 25 for the TE and TM modes.
  • ⁇ n TE and ⁇ n TM denote the change in refractive index due to the material stress caused by the heating.
  • phase shift of ⁇ 180 degrees, material stress, for example, in the amount of 10 MPa can occur in the lower waveguide 20, which results in a clearly polarization-dependent behavior, because ⁇ n TE or ⁇ n TM are usually not the same size.
  • ⁇ n TE and ⁇ n TM are calculated as follows (see above article [1]):
  • An TE ⁇ mony+ C 2 ( ⁇ w + ⁇ a )
  • Ci and C 2 denote the photoelastic constants of glass and ⁇ « t y and d ⁇ zz > c ⁇ -j_ e material stress changes .
  • w is approximately zero, so that the following applies:
  • the switching characteristic or the switching behavior of the MZI switch according to FIG. 2 is shown by way of example in FIG. 3. It can be seen that the switching courses for the TE mode and the TM mode diverge significantly. At around 1.8 rad the TM mode only has an attenuation of -5 dB, whereas the TE mode has an attenuation of -10 dB.
  • FIG. 4 shows that the PDL value does not change linearly with the stress which acts on the waveguide due to the heating; the greater the stress that arises due to the heating (ie the “stress difference” between the stress in the heated waveguide arm and the stress in the unheated waveguide arm), the smaller the change in the PDL value when the stress changes.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment for an optical switching module 110 according to the invention.
  • a switching module 110 At an input 120 of the switching module 110 there is a Input waveguide 130 connected, to which a 3dB splitter 140 connects.
  • the 3dB divider 140 is connected to a switching zone 150, which is formed by two waveguides 160 and 170.
  • Another 3 dB splitter 180 connects to the switching zone 150 and is connected on the output side to an output waveguide 185.
  • One end 190 of the output waveguide 185 forms an output 195 of the optical switching module 10.
  • One of the two waveguides 160 - that is to say the lower waveguide in FIG. 5 - is segmented and has three waveguide regions 200, 210 and 220.
  • the first waveguide region 200 has a waveguide width W2 and a length L2; in the second waveguide region 210, the waveguide has a waveguide width W3 and a length L3. In its third waveguide region 220, the waveguide width is W4 and the length L4.
  • the other of the two waveguides 170 - ie the upper waveguide in FIG. 5 - has a waveguide width W1 and a length L + ⁇ L.
  • the length L is equal to the length of the waveguide regions 200, 210 and 220; the following therefore applies:
  • the waveguide structure is symmetrical, so that the following should apply:
  • a thermal heating strip 250 is attached to the lower waveguide 160, with which the lower waveguide 160 is heated.
  • thermo-optical effect - as occurs with glass waveguides or also with waveguides in semiconductor materials - there is a change in the refractive index in the heated waveguide 160; namely, a change in the refractive index relative to the refractive index in the unheated waveguide 170.
  • the waveguides 160 and 170 can be glass waveguides, for example. In order to achieve polarization-independent wave propagation with glass waveguides,
  • a stress-exerting silicon layer can be applied to the glass waveguide.
  • the switching module 110 should also be dimensioned so that it "without heating"
  • Switching state "OFF" should be designated AT ⁇ .
  • the two waveguides 160 and 170 are single-mode.
  • the output power Paus at the output 195 of the optical switching module 110 results - depending on the input power at the input 120 - due to the phase shift as follows:
  • P denotes the normalized optical Output power at the output 195 of the optical switching module 110, namely normalized to the input power at the input
  • L ⁇ ⁇ J denotes the phase shift between the two waveguides 160 and 170 due to the different
  • ⁇ denotes the phase shift between the two waveguides 160 and 170 due to the thermo-optical effect - without taking into account the material stress caused by heating.
  • L ⁇ reJ and L ⁇ w now depends on whether the waveguide is heated or not, because a material stress occurs exclusively in the case of heating.
  • L ⁇ r-.J and 1 ⁇ TM ⁇ are calculated as follows for the TE mode and the TM mode:
  • nef f ⁇ , ⁇ E and nef f ⁇ , ⁇ M denote the effective refractive indices of the upper waveguide 170 for the TE and TM modes.
  • Waveguide geometry in particular as a function of the respective waveguide width W1, W2, W3, or W4.
  • the waveguide widths W1, W2, W3 and W4 as well as the waveguide lengths L2, L3 and L4 as well as the additional length ⁇ L are to be varied in such a way that both the switching state "1" and the switching state "0" are polarization-independent behavior is achieved.
  • Waveguide parameters can be varied in several iteration steps if necessary. Which iteration method is used is irrelevant.
  • the waveguide cross-section is first determined using a 1-dimensional or a 2-dimensional simulation program (e.g. TempSelene ⁇ software) the effective refractive index of the waveguide.
  • thermo-optical effect in glass it can then be calculated which temperature difference must be achieved for the required difference in refractive index.
  • this estimation of the temperature difference reference can be made to the MZI switches known in the literature, in particular with regard to glass waveguides.
  • Material stress changes are called **, w and zz and are in the size range between approx. 10 to 50 MPa, depending on the dimensioning of the waveguide structure.
  • Ci and C 2 denote the photoelastic constants of glass.
  • the effective refractive index index must first be calculated for each waveguide width W1, W2, W3 to be taken into account, namely for the TE mode and the TM mode.
  • the calculation of the effective refractive index indices can be calculated, for example, with the aid of a 1- or 2-dimensional simulation program.
  • the effective refractive index for the waveguide widths from 3 ⁇ m to 8 ⁇ m can be calculated in advance in 0.1 ⁇ m steps and stored in a memory in order to accelerate the subsequent implementation of the solution algorithm.
  • the result is a dimensioning with the following values:
  • FIG. 6 shows the switching behavior of the MZI switch according to FIG. 5. It can be seen that a switching behavior that is independent of polarization is achieved both for the switching state "ON” and for the switching state "OFF".
  • FIG. 7 shows a tolerance test for the MZI switch according to FIG. 5. It can be seen that the dependence of the PDL value on deviations in the waveguide width W (for example width of the core area 2 in FIG. 1) from the desired waveguide width It should depend on how great the material stress is due to the heating. Depending on the size of the stress that occurs when heating or switching, different manufacturing tolerances must be observed.
  • FIG. 8 shows another exemplary embodiment of a MZI switch according to the invention shown.
  • the two waveguides 500 and 510 are of the same length.
  • the lower waveguide 500 is segmented and has two waveguide regions 520 and 530 of different widths W2 and W3 (eg W3> W2).
  • the upper waveguide 510 has the width Wl.

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Abstract

Optisches Bauelement mit Mach-Zehnder-Struktur. Die Erfindung bezieht sich auf ein polarisationsunabhängiges optisches Bauelement mit einer Mach-Zehnder-Wellenleiterstruktur mit zwei Wellenleitern (160, 170). Um bei einem solchen optischen Bauelement die Polarisationsunabhängigkeit besonders einfach herbeizuführen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Hinblick auf die Polarisationsunabhängigkeit mindestens einer der beiden Wellenleiter (160) der Mach-Zehnder-Wellenleiterstruktur segmentiert ist und mindestens zwei Wellenleiterbereiche (200, 210, 220) mit unterschiedlichem Wellenleiterquerschnitt, insbesondere unterschiedlicher Wellenleiterbreite (W1, W2, W3), aufweist.

Description

Optisches Bauelement mit einer Mach-Zehnder-Struktur
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Bauelement mit einer Mach-Zehnder-Wellenleiterstruktur mit zwei Wellenleitern, wobei das optische Bauelement derart beschaffen ist, dass es für zumindest eine Betriebsart bzw. eine Anwendung polarisationsunabhängig ist.
Ein derartiges optisches Bauelement ist in dem Artikel „Polarization-Independent Silica-on-Silicon Mach-Zehnder Interferometers" (Henry H. Yaffe, Charles H. Henry, Rudolf F. Kazarinov, Michele A. Milbrodt, Journal of Lightwave Technology, Vol. 12, No. 1, Jan. 1994) beschrieben. Bei dem optischen Bauelement handelt es sich um einen Wellenlängen- Splitter auf der Basis von Glaswellenleitern. Bei diesem Wellenlängen-Splitter ist eine Mach-Zehnder-Struktur ausgangsseitig an einen Richtkoppler angeschlossen, der zwei optische Ausgänge aufweist. Von der Wellenlänge des in die Mach-Zehnder-Struktur eingespeisten Lichts hängt es ab, an welchem der beiden Ausgänge das Licht den Richtkoppler verlässt . Das optische Bauelement arbeitet dabei polarisationsunabhängig. Die Polarisationsunabhängigkeit wird dadurch erreicht, dass unter dem Wellenleiterkern des
Glaswellenleiters eine Siliziumnitridschicht angeordnet ist.
Ein weiteres Bauelement der eingangs angegebenen Art ist in dem Artikel „Birefringence Control of Silica Waveguides on Si and Its Application to a Polarization-Beam Splitter/Switch" (Masayuki Okuno, Akio Sugita, Kaname Jinguji, Maso Kawachi, Journal of Lightwave Technology, Vol. 12, No. 4, Jan. 1994) beschrieben. Bei dem optischen Bauelement handelt es sich um einen Polarisations-Teiler bzw. -Schalter, also um ein Bauelement, das Licht mit einer TE-Polarisation von dem Licht mit einer TM-Polarisation trennt. Geschaltet wird bei dem Bauelement durch Heizen eines Wellenleiterarmes der Mach- Zehnder-Struktur, also unter Ausnutzung des thermooptischen Effekts. Die Polarisationsunabhängigkeit wird durch sogenanntes Lasertrimmen erreicht, bei dem eine auf dem Glaswellenleiter liegende amorphe Siliziumschicht (a-Si- Schicht) solange bearbeitet wird, bis das gewünschte polarisationsunabhängige Verhalten eingestellt bzw. erreicht ist. Auf den Artikel „Birefringence Control of Silica Waveguides on Si and Its Application to a Polarization-Beam Splitter/Switch" wird nachfolgend noch mehrfach unter der Bezeichnung „Artikel [1] " Bezug genommen.
Darüber hinaus sind aus dem Buch „Opto-elektronische Halbleiterbauelemente" Mach-Zehnder-Interferometer-Schalter (MZI-Schalter) (R. Paul, 2. Auflage, 1992, Seite 419) bekannt. Diese MZI-Schalter weisen einen Eingangswellenleiter auf, der mittels eines 3dB-Teilers in zwei beabstandet angeordnete Wellenleiterarme verzweigt wird. An die zwei Wellenleiterarme ist ausgangsseitig ein weiterer 3dB-Teiler angeschlossen, der ausgangsseitig mit einem Ausgangswellenleiter verbunden ist. Beträgt die
Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellenleiterarmen 0 Grad, so weist das Licht im Ausgangswellenleiter und damit am Ausgang des MZI-Schalters eine maximale Lichtintensität auf. Beträgt hingegen die Phasenverschiebung 180° bzw. π, so ergibt sich am Ausgang des MZI-Schalters eine minimale Lichtintensität . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bauelement anzugeben, bei dem das polarisationsunabhängige Verhalten besonders einfach herbeigeführt ist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des optischen Bauelements sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Danach ist vorgesehen, dass im Hinblick auf die
Polarisationsunabhängigkeit mindestens einer der beiden Wellenleiter der Mach-Zehnder- ellenleiterstruktur segmentiert ist und mindestens zwei Wellenleiterbereiche mit unterschiedlichem Wellenleiterquerschnitt, insbesondere unterschiedlicher Wellenleiterbreite, aufweist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Bauelements besteht darin, dass die Polarisationsunabhängigkeit sehr einfach erreicht ist. So wird durch die Segmentierung eines der beiden Wellenleiter in zwei Wellenleiterbereiche nämlich ein zusätzlicher Freiheitsgrad bei der Optimierung des optischen Bauelements geschaffen. Erfindungsgemäß wird bereits durch die Wahl der Wellenleiterquerschnitte bzw. der Wellenleiterbreiten und der Abschnittslängen ein polarisationsunabhängiges Verhalten erreicht; zusätzliche Prozessschritte, wie etwa das Lasertrimmen einer amorphen Siliziumschicht, entfallen damit bei dem erfindungsgemäßen Bauelement. Auch zusätzliche Materialschichten wie beispielsweise eine Siliziumnitridschicht unter dem Wellenleiterkern des
Wellenleiters sind bei dem erfindungsgemäßen Bauelement überflüssig. Dadurch, dass die Polarisationsunabhängigkeit durch die Wahl der Wellenleitergeometrie bzw. der Wellenleiterbreiten erreicht wird, lässt sich diese besonders einfach bereits in der „Maskenebene" - also bei dem Entwurf der Wellenleitermaske für die Lithografie der späteren Wellenleiter - berücksichtigen. Die konkrete Berechnung und Festlegung der Wellenleiterquerschnitte und der Längen der Wellenleiterbereiche erfolgt durch „Ausprobieren" oder beispielsweise durch Simulationsrechnungen, die nachfolgend im Detail erläutert werden..
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Bauelements ist darin zu sehen, dass es auch dann polarisationsunabhängig sein kann, wenn durch eine Temperaturänderung - beispielsweise aufgrund einer von außen erzwungenen Phasenverschiebung - „Materialstress" auf den Wellenleiter bzw. auf die Wellenleiter ausgeübt wird. Beispielsweise bei thermischen Schaltmodulen auf der Basis von Gaswellenleitern tritt beim Erwärmen eines der beiden Wellenleiter eine mechanische Spannung im Wellenleitermaterial auf. Durch diese mechanische Spannung wird das im spannungsfreien Zustand an sich polarisationsunabhängige bzw. weitgehend polarisationsunabhängige Material polarisationsabhängig. Selbst eine Polarisationsabhängigkeit aufgrund derartiger Materialspannungen bzw. eines solchen „Materialstresses" lässt sich durch die Segmentierung mindestens eines der beiden Wellenleiter erfindungsgemäß kompensieren, indem die Wellenleitergeometrien nämlich vorab geeignet gewählt werden.
Bei dem optischen Bauelement kann es sich beispielsweise um ein Wellenlängenfilter oder einen Wellenlängensplitter handeln. Als vorteilhaft wird es außerdem angesehen, wenn das optische Bauelement ein Schaltmodul bildet, das zwei Schaltzustände aufweist, und die Mach-Zehnder-Wellenleiterstruktur eine Schaltzone bildet, die die Schaltzustände des Schaltmoduls in Abhängigkeit von der zwischen den beiden Wellenleitern vorliegenden Phasenverschiebung bestimmt.
Soll das optische Schaltmodul beispielsweise eine 1X1- Schaltfunktion aufweisen, so lässt sich dies in einfacher Weise und damit vorteilhaft erreichen, wenn die Schaltzone eingangsseitig und ausgangsseitig mit jeweils einem 3dB- Teiler verbunden ist unter Bildung eines Mach-Zehnder- Interferometer-Schalters .
Mit dem erfindungsgemäßen optischen Bauelement lässt sich in vorteilhafter Weise ebenfalls eine 1X2-Schaltstruktur ausbilden, indem die Schaltzone eingangsseitig mit einem 3dB- Teiler und ausgangsseitig mit einem 3dB-Richtkoppler unter Bildung eines lX2-Richtkopplerschalters verbunden wird.
Im Übrigen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das optische Bauelement eine 2X2-Schaltfunktion aufweist;, dies lässt sich in einfacher Weise und damit vorteilhaft erreichen, wenn die Schaltzone eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils mit einem 3dB-Richtkoppler verbunden ist .
Das erfindungsgemäße Bauelement lässt sich in vorteilhafter Weise auch mit weiteren Schaltmodulen der gleichen Art kombinieren, so dass sich beliebige N X M-Schaltmatritzen bilden lassen. Um ein polarisationsunabhängiges Schaltverhalten des optischen Schaltmoduls besonders einfach zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn ein zusätzlicher Freiheitsgrad bzw. ein zusätzlicher Parameter zum Einstellen der Polarisationsunabhängigkeit bereitgestellt wird; ein solcher Parameter wird in vorteilhafter Weise dadurch bereitgestellt, dass die beiden Wellenleiter im Bereich der Schaltzone unterschiedliche Längen aufweisen. Der Längenunterschied kann dann so dimensioniert werden, dass das gewünschte Schaltverhalten erreicht wird.
Ein besonders hohes Maß an Polarisationsunabhängigkeit lässt sich in vorteilhafter Weise erreichen, wenn der eine Wellenleiter drei Wellenleiterbereiche aufweist und bezüglich der Wellenleiter-Mitte spiegelsymmetrisch aufgebaut ist.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich die Phasenverschiebung zwischen den Wellenleitern in der Schaltzone erreichen, wenn ein thermo-optischer, ein elektro- optischer und/oder ein Ladungsträgerinjektionseffekt zur Phasenverschiebung ausgenutzt wird.
Besonders verlustarme Wellenleiter sind beispielsweise Glaswellenleiter, so dass es als vorteilhaft angesehen wird, wenn das optische Schaltmodul Wellenleiter aus Glas aufweist.
Um bei Glaswellenleitern eine polarisationsunabhängige Wellenausbreitung zu gewährleisten, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn auf der Claddingschicht des Wellenleiters eine amorphe Silizium-Schicht aufliegt. Wellenleiter mit einer solchen amorphen Silizium-Schicht sind in dem o. g. Artikel [1] beschrieben.
Soll mit dem optischen Bauelement ein Schaltmodul gebildet werden, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das optische Bauelement zwei Schaltzustände aufweist und die Wellenleiterquerschnitte, insbesondere die
Wellenleiterbreiten, und die Länge der Wellenleiterbereiche derart zueinander dimensioniert sind, dass das optische Bauelement zumindest für die beiden Schaltzustände polarisationsunabhängig ist.
Falls es sich um ein optisches Bauelement handelt., das thermooptisch schaltbar ausgeführt ist, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Wellenleiterquerschnitte, insbesondere die Wellenleiterbreiten, und die Länge der Wellenleiterbereiche unter Berücksichtigung der Materialspannungen aufgrund des Aufwärmens des Bauelements dimensioniert sind.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauelements, bei dem eine Mach- Zehnder-Wellenleiterstruktur mit zwei Wellenleitern derart hergestellt wird, dass das optische Bauelement polarisationsunabhängig ist.
Der Erfindung liegt bezüglich eines solchen Verfahrens die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem das polarisationsunabhängige Verhalten des optischen Bauelements besonders einfach herbeigeführt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens einer der beiden Wellenleiter der Mach-Zehnder- Wellenleiterstruktur segmentiert wird und mindestens zwei Wellenleiterbereiche mit unterschiedlichem Wellenleiterquerschnitt gebildet werden und die Wellenleiterquerschnitte und die Länge der
Wellenleiterbereiche derart zueinander dimensioniert werden, dass das optische Bauelement polarisationsunabhängig ist.
Vorteilhafte Fortbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen beschrieben.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und bezüglich der Vorteile der Fortbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen optischen Bauelement und dessen vorteilhaften Weiterbildungen verwiesen, das sich deren Vorteile entsprechen bzw. weitgehend ähnlich sind.
Zur Erläuterung der Erfindung zeigen
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für einen
Glaswellenleiter, wie er sich in einem erfindungsgemäßen optischen Schaltmodul einsetzen lässt bzw. zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwenden lässt,
Figur 2 einen MZI-Schalter nach dem Stand der Technik,
Figur 3 das Schaltverhalten bei dem MZI-Schalter gemäß der Figur 2,
Figur 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des PDL-
Wertes (PDL = polarization dependent loss) von dem durch Heizen verursachten Stress bei dem Schalter gemäß der Figur 2 darstellt,
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Schaltmodul,
Figur 6 das Schaltverhalten des optischen Schaltmoduls gemäß der Figur 5,
Figur 7 das Ergebnis einer Toleranzberechnung für das optische Schaltmodul gemäß der Figur 5 und
Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Schaltmodul .
In der Figur 1 ist ein Glaswellenleiter 1 dargestellt. Der Glaswellenleiter 1 weist einen Core-Bereich 2 auf, der eine höhere Brechzahl hat als die ihn umgebende Claddingschicht 3. Auf der Claddingschicht 3 ist eine amorphe Siliziumschicht 4 aufgebracht. Die Dicke und die Breite der Siliziumschicht 4 ist dabei derart durch Lasertrimmen eingestellt, dass der Wellenleiter 1 weitgehend polarisationsunabhängig ist. Die Siliziumschicht 4 hat dabei die Aufgabe, die im Wellenleiter 1 vorhandenen MaterialSpannungen auszugleichen, wodurch ein polarisationsunabhängiges Verhalten des Wellenleiters 1 erreicht wird.
Die MaterialSpannungen beruhen insbesondere darauf, dass die Claddingschicht 3 auf einem Silizium-Substrat 5 aufgebracht ist. Der Wellenleiter 1 ist im Detail in dem o. g. Artikel [1] beschrieben. In der Figur 2 ist ein nicht optimierter MZI-Schalter nach dem Stand der Technik gezeigt . Man erkennt einen Eingangswellenleiter 8, dem ein 3dB-Teiler 10 nachgeordnet ist. An den 3dB-Teiler 10 ist eine Schaltzone 15 angeschlossen, in der zwei Wellenleiter 20 und 25 parallel verlaufen. Auf den beiden Wellenleitern 20 und 25 sind zwei Heizvorrichtungen 30 und 35 angebracht, mit denen sich die Wellenleiter 20 und 25 aufheizen lassen.
An die Schaltzone 15 schließt sich ein weiterer 3dB-Teiler 40 an, an den ein Ausgangswellenleiter 45 mit einem Ausgang 50 angeschlossen ist.
Die beiden Wellenleiter 20 und 25 in der Schaltzone 15 sind gleich lang (z. B. 4 mm lang) und haben den gleichen Wellenleiterquerschnitt (z. B. 5 μm breit) . Aufgrund des Aufheizens beispielsweise des unteren Wellenleiters 20 kommt es zu einer Materialstressänderung, so dass der MZI-Schalter polarisationsabhängig wird.
Die Ausgangsleistung am Ausgang 50 ergibt sich wie folgt
Für den TE-Mode:
PTE = Paus I Pein ■ cos '[Δ aJ +θ
Für den TM-Mode:
Figure imgf000011_0001
In den Formeln bezeichnet P die normierte optische Ausgangsleistung am Ausgang 50 des MZI-Schalters, und zwar normiert auf die Eingangs1eistung am Eingang des Eingangswellenleiters 8.
Der Term I φreJ bzw. LΔΦΓΛ/J bezeichnet die Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellenleitern 20 und 25 aufgrund des mechanischen Materialstresses, der beim Erwärmen des unteren Wellenleiters 20 auftritt, θ bezeichnet die
Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellenleitern 20 und 25 aufgrund des thermooptischen Effekts.
Die Größe der Terme LΔΦr-εJ und LΔφrAfJ hängt nun davon ab, ob der Wellenleiter geheizt wird oder nicht, da nämlich ein Materialstress ausschließlich im Falle eines Heizens auftritt .
Die Terme LΔΦΪE] und LΔφrΛfJ berechnen sich für den TE-Mode und den TM-Mode wie folgt:
1. Fall: „ohne Erwärmen des unteren Wellenleiters" (Δ^~0):
[ΔΦr£](Δr = 0) = ([neffTEL]- {(neffTE)L§ = 0
Figure imgf000012_0001
[ΔΦ m ](AT = 0) = ([neffmL]- [{neffm )L]) = λ
Ohne Erwärmen ist die Phasenverschiebung " ebenfalls gleich Null, so dass für die normierte Leistung gilt: P = Paus/Pein = 1
2. Fall: „mit Erwärmen des unteren Wellenleiters" ( ΔΓ = ΔΓπ
[ΔΦ TE ](ΔΓ = ATτ ) = {[neffTEL] - [{neffTE + AnTE )L ) = - AnTEL
2π
[ΔΦr ](ΔT = ΔTπ ) = ^ ([neffTML] - [(neffTM + AnTM )E]) = • T AnTML
neffTE und neffT bezeichnen die effektiven Brechzahlen der beiden Wellenleiter 20 und 25 für den TE- und den TM-Mode . ΔnTE bzw. ΔnTM bezeichnen die Brechzahländerung aufgrund des Materialstresses, der durch das Heizen verursacht wird.
Bei einer Phasenverschiebung von θ =180 Grad kann ein Materialstress beispielsweise in Höhe von 10 MPa im unteren Wellenleiter 20 auftreten, wodurch ein deutlich polarisationsabhängiges Verhalten entsteht, weil nämlich ΔnTE bzw. ΔnTM in der Regel nicht gleich groß sind.
ΔnTE bzw. ΔnTM berechnen sich wie folgt (vgl. o.g. Artikel [1]) :
AnTE = Δσ„ +C2(Δσ w +Δσ a )
ΔuIM = C1 ΔσÄr + C2(Δσ„ 4. Δσβ)
wobei Ci und C2 die photoelastischen Konstanten von Glas und σ« t y und Δσzz > cι-j_e Materialstressänderungen bezeichnen . Für den Wellenleiter gemäß der Figur 1 ist w annähernd gleich Null, so dass gilt:
AnTE = Cl A xx + C2 (Aayy +Aσzz)Cl =C1Δσst +C2Δσβ
AnTM = Cx Aaw + C2(Δσ„ + Δσzz) = C2(Δσβ + Δσzz)
woraus sich erkennen lässt, dass ΔnTE bzw. ΔnTM unterschiedliche Werte annehmen.
Die Schaltkennlinie bzw. das Schaltverhalten des MZI- Schalters gemäß der Figur 2 zeigt beispielhaft die Figur 3. Man erkennt, dass die Schaltverläufe für den TE-Mode und den TM-Mode deutlich auseinanderlaufen. So weist der TM-Mode bei ca. 1,8 rad lediglich eine Dämpfung von -5 dB auf, wohingegen der TE-Mode eine Dämpfung von -10 dB erreicht. Der zugehörige PDL-Wert (PDL = polarization dependent loss = Dämpfung für den TE-Mode - Dämpfung für den TM-Mode) beträgt bei -10 dB also - 5 dB.
Die Figur 4 zeigt, dass sich der PDL-Wert nicht linear mit dem Stress ändert, der aufgrund des Heizens auf den Wellenleiter wirkt; je größer der aufgrund des Heizens auftretende Stress (also die „Stressdifferenz" zwischen dem Stress im geheizten Wellenleiterarm und dem Stress im ungeheizten Wellenleiterarm) ist, desto kleiner ist eine Änderung des PDL-Wertes bei sich änderndem Stress.
In der Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Schaltmodul 110 dargestellt. An einem Eingang 120 des Schaltmoduls 110 ist ein Eingangswellenleiter 130 angeschlossen, an den sich ein 3dB- Teiler 140 anschließt. Der 3dB-Teiler 140 ist mit einer Schaltzone 150 verbunden, die durch zwei Wellenleiter 160 und 170 gebildet ist.
An die Schaltzone 150 schließt sich ein weiterer 3dB-Teiler 180 an, der ausgangsseitig mit einem Ausgangswellenleiter 185 verbunden ist. Ein Ende 190 des Ausgangswellenleiters 185 bildet einen Ausgang 195 des optischen Schaltmoduls 10.
Der eine der beiden Wellenleiter 160 - also der in der Figur 5 untere Wellenleiter - ist segmentiert und weist drei Wellenleiterbereiche 200, 210 und 220 auf.
Der erste Wellenleiterbereich 200 hat eine Wellenleiterbreite W2 und eine Länge L2 ; im zweiten Wellenleiterbereich 210 weist der Wellenleiter eine Wellenleiterbreite W3 und eine Länge L3 auf. In seinem dritten Wellenleiterbereich 220 beträgt die Wellenleiterbreite W4 und die Länge L4.
Der andere der beiden Wellenleiter 170 - in der Figur 5 also der obere Wellenleiter - weist eine Wellenleiterbreite Wl und eine Länge L+ΔL auf. Die Länge L ist dabei gleich der Länge der Wellenleiterbereiche 200, 210 und 220; es gilt also:
L = L2 + L3 + L4 .
Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 5 ist die Wellenleiterstruktur symmetrisch, so dass gelten soll:
W2 = W4 L2 = L4
In der Schaltzone 150 ist an dem unteren Wellenleiter 160 ein thermischer Heizstreifen 250 angebracht, mit dem der untere Wellenleiter 160 aufgeheizt wird.
Aufgrund des thermo-optischen Effekts - wie er bei Glaswellenleitern oder auch bei Wellenleitern in Halbleitermaterialien auftritt - kommt es zu einer Änderung der Brechzahl im aufgeheizten Wellenleiter 160; und zwar zu einer Änderung der Brechzahl relativ zu der Brechzahl im ungeheizten Wellenleiter 170.
Aufgrund dieser Brechzahländerung tritt eine thermisch bedingte Phasenverschiebung θ zwischen den beiden Wellenleitern 160 und 170 auf.
Bei den Wellenleitern 160 und 170 kann es sich beispielsweise um Glaswellenleiter handeln. Um bei Glaswellenleitern eine polarisationsunabhängige Wellenausbreitung zu erreichen, kann
- wie beispielsweise in der Figur 1 gezeigt - eine Stress ausübende Siliziumschicht auf dem Glaswellenleiter aufgebracht sein.
Im Rahmen des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird beispielhaft davon ausgegangen, dass es sich um solche Glaswellenleiter handelt. Das Schaltmodul 110 soll dabei außerdem so dimensioniert sein, dass es „ohne Heizen"
(Δ-T = 0)am Ausgang 195.eine maximale Lichtintensität aufweist. Durch Heizen soll dann eine Phasenverschiebung von
180 Grad bzw. π zwischen den beiden Wellenleitern 160 und 170 erreicht werden, so dass sich am Ausgang 195 eine minimale Lichtintensität ergibt . Die Temperaturdifferenz für den
Schaltzustand „AUS" soll mit ATπ bezeichnet werden.
Für die Dimensionierung des Schaltmoduls werden nachfolgend beispielhaft folgende Annahmen bzw. Vereinfachungen gemacht:
a) Die beiden Wellenleiter 160 und 170 sind einmodig.
b) Auf den Wellenleiter 160 wirkt ein Materialstress aufgrund des Aufheizens des Wellenleiters.
c) Es gibt aufgrund des Wellenleiteraufbaus (vgl. Figur 1 und den o. g. Artikel [1] ) keinen Stress in y-Richtung.
d) Der Materialstress in x-und z-Richtung ist gleich groß.
Die Ausgangsleistung Paus am Ausgang 195 des optischen Schaltmoduls 110 ergibt sich - in Abhängigkeit von der Eingangsleistung am Eingang 120 - aufgrund der Phasenverschiebung wie folgt:
Für den TE-Mode:
Figure imgf000017_0001
Für den TM-Mode :
Pm = Paus I Pein - cos" [Δφm] +θ
In der Formel bezeichnet P die normierte optische Ausgangsleistung am Ausgang 195 des optischen Schaltmoduls 110, und zwar normiert auf die Eingangsleistung am Eingang
120 des optischen Schaltmoduls 110. Der Term IAφn.J bzw.
LΔΦΓΛJ bezeichnet die Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellenleitern 160 und 170 aufgrund der unterschiedlichen
Länge der beiden Wellenleiter und aufgrund des mechanischen Materialstresses, der beim Erwärmen des unteren Wellenleiters
160 auftritt, θ bezeichnet die Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellenleitern 160 und 170 aufgrund des thermooptischen Effekts - ohne Berücksichtigung des Materialstresses durch Heizen.
Die Größe der Terme LΔφreJ und LΔΦw hängt nun davon ab, ob der Wellenleiter geheizt wird oder nicht, da nämlich ein Materialstress ausschließlich im Falle eines Heizens auftritt .
Die Terme LΔφr-.J und 1 ΦTM \ berechnen sich für den TE-Mode und den TM-Mode konkret wie folgt :
1. Fall: „ohne Erwärmen des unteren Wellenleiters" (Δ-T-O)
[ΔΦ „ ](AT = 0) + (neff τE )E3 + (neff E JMJ
Figure imgf000018_0001
2π
[ΔΦr ](Δ-T = 0) = ([nefflm (L + AL)}- [{neff2 M )∑2 + [neff m )l3 + {neff4>m )LA J
Fall: „mit Erwärmen des untern Wellenleiters" ( AT = ATπ): [neff2 TE + AnTE )L2 + (neff τE + AnTE )∑3
[ΔΦr£ ](ΔT = ATτ ) = \ [neffhTE (L + AL)]- + (neff4,TE +AnTE )LA
Figure imgf000019_0001
nef fι,τE und nef fι,τM bezeichnen die effektiven Brechzahlen des oberen Wellenleiters 170 für den TE- und den TM-Mode . neffi# TE und neffι,τM (für i = 2 , 3 oder 4 ) bezeichnen die effektiven Brechzahlen der Wellenleiterbereiche des unteren Wellenleiters 160 für den TE- und den TM-Mode .
Die Werte für die effektiven Brechzahlen neffi für den TE- Mode und den TM-Mode ergeben sich in Abhängigkeit von der
Wellenleitergeometrie, insbesondere in Abhängigkeit von der j eweiligen Wellenleiterbreite Wl , W2 , W3 , oder W4 .
Im Rahmen eines Optimierungsverfahrens sind die Wellenleiterbreiten Wl, W2, W3 und W4 sowie die Wellenleiterlängen L2, L3 und L4 sowie die zusätzliche Länge ΔL so zu variieren, dass sowohl für den Schaltzustand „1" als auch für den Schaltzustand „0" ein polarisationsunabhängiges Verhalten erzielt wird.
Ein solches polarisationsunabhängiges Verhalten wird dann erreicht, wenn die nachfolgend definierten „Bedingungen" erfüllt sind: 1. Bedingung: Schaltzustand „Ein": Paus/Pein = 1, „ohne Heizen", Δ-T = 0.
[AΦTE](AT = 0) = [ΔΦrJ(Δr = 0) =->
2π
([neffhTM (L + AL)]- [(neff2 M )L2 + {neff3>m ) 3 + [neff )LA]}
=
Figure imgf000020_0001
2. Bedingung: Schaltzustand „Aus": Paus/Pein = 0, „mit
Figure imgf000020_0002
[ΔΦΓ£](ΔΓ = Δrπ ) = [ΔΦr (Δr = Δrπ )
2π ~{nejf2TM + AnTM )L2 + {neff3JM + AnTM )L3 T [neffι,τM(L + AL)}- + (nef τM + AnTM)LA
2π {neffTE + AnTE )L2 + (neffM + nTE
T [neffltTE(L + AL)]- + {neff>TE+AnTE)L
Figure imgf000020_0003
Um die beiden Bedingungen erfüllen zu können, müssen die
Wellenleiterparameter in ggf. mehreren Iterationsschritten variiert werden. Welches Iterationsverfahren dabei konkret verwendet wird, ist unerheblich.
Zum besseren Verständnis soll nun kurz skizziert werden, wie ein Iterationsverfahren beispielsweise aussehen kann:
1. Ermittlung der erforderlichen Temperaturdifferenz zum Schalten:
Zunächst wird ermittelt, welche Heizleistung bzw. welche
Temperaturdifferenz π für eine Phasenverschiebung von θ =π zwischen den beiden Wellenleitern 160 und 170 ungefähr erforderlich sein wird.
Für die Abschätzung soll in einem ersten Schritt nun von einer Wellenleiterlänge vom L = 4 mm und einer Wellenleiterbreite von 5 μm ausgegangen werden.
Mit Hilfe der Wellenleiterbreite bzw. des
Wellenleiterquerschnitts wird unter Verwendung eines 1- dimensionalen oder eines 2-ditnensionalen Simulationsprogramms (z. B. TempSelene© Software) zunächst die effektive Brechzahl des Wellenleiters bestimmt. Mit der effektiven Brechzahl lässt sich unter Heranziehung der Wellenleiterlänge von L = 4 mm berechnen, welche Brechzahldifferenz zwischen den beiden Wellenleitern 160 und 170 erreicht werden muss .
Unter Berücksichtigung des thermooptisehen Effekts in Glas kann dann berechnet werden, welche Temperaturdifferenz für die erforderliche Brechzahldifferenz erreicht werden muss. Bezüglich dieser Abschätzung der Temperaturdifferenz kann auf die in der Literatur bekannten MZI-Schalter, insbesondere im Hinblick auf Glaswellenleiter, verwiesen werden.
2. Materialstress:
Nachdem nun ungefähr bekannt ist, wie groß die Temperaturdifferenz ist, wird die Änderung des Materialstresses in x- , y- und z-Richtung ermittelt. Diese
Materialstresseänderungen werden als ** , w und zz bezeichnet und liegen in dem Größenbereich zwischen ca. 10 bis 50 MPa, je nach der Dimensionierung der Wellenleiterstruktur.
Mit diesen Materialstressänderungen Ä , w und σ wird anschließend die Änderung der Brechzahl aufgrund des Materialstresses ermittelt gemäß:
AnTE = C, Δσ +C2(Δσ +Δσzz)
Anm = C, Δσw + C2(Aσ „ +Δσzz)
wobei Ci und C2 die photoelastischen Konstanten von Glas bezeichnen.
3. Effektive Brechzahlindizes: Nachfolgend wird nun unter Verwendung eines an sich beliebigen Lösungsalgorithmus gesucht, bei welcher Kombinationen von Wellenleiterbreiten Wl, W2, W3 (W4=W2) und Wellenleiterlängen L2, L3 , ΔL (L=L2+L3+L2) die beiden oben hergeleiteten Bedingungsgleichungen
1. Bedingung (Schaltzustand „Ein": Paus/Pein = 1, „ohne Heizen", Δ-T= 0) . 2π
(k ι,™ (L + *)]- lneff2 )L + [neff m )L3 + (neff4JM )LA])
= ^([neff TE(L + AL)}- [(neff^l + (neff3,TE)L3 + [neff, λ
2.Bedingung (Schaltzustand „Aus": Paus/Pein = 0, „mit
Heizen" , AT = ΔT
) :
Figure imgf000023_0001
(neff τE + nTE )L3
Figure imgf000023_0002
am besten erfüllt sind.
Bei dem Lösungsalgorithmus ist dabei für j ede zu berücksichtigende Wellenleiterbreite Wl , W2 , W3 zunächst j eweils zuerst der effektive Brechzahl index zu berechnen, und zwar für den TE-Mode und den TM-Mode .
Die Berechnung der effektiven Brechzahlindizes kann beispielsweise mit Hilfe eines 1- oder 2-dimensionalen Simulationsprogramms berechnet werden .
Beispielsweise kann für die Wellenleiterbreiten von 3 μm bis 8 μm in 0,1 μm-Schritten jeweils vorab der effektive Brechzahlindex berechnet und in einem Speicher abgelegt werden, um die nachfolgende Durchführung des Lösungsalgorithmus zu beschleunigen. Für den Glaswellenleiter gemäß der Figur 1 ergibt sich - nach der Durchführung eines Lösungsalgorithmus - als Ergebnis eine Dimensionierung mit folgenden Werten:
L = 4000 mm
ΔL = 56 mm
Wl = 5 μm
W2 = 6 μm
W3 = 4,3 μm
W4 = 6 μm
L2 = 1000 mm
L3 = 2000 mm
L4 = 1000 mm
In der Figur 6 ist das Schaltverhalten des MZI-Schalters gemäß der Figur 5 dargestellt. Man erkennt, dass sowohl für den Schaltzustand „EIN" als auch für den Schaltzustand „AUS" jeweils ein polarisationsunabhängiges Schaltverhalten erreicht wird.
Die Figur 7 zeigt eine Toleranzuntersuchung für den MZI- Schalter gemäß der Figur 5. Man erkennt, dass die Abhängigkeit des PDL-Wertes von Abweichungen der Wellenleiterbreite W (z. B. Breite des Core-Bereichs 2 in der Figur 1) von der Sollwellenleiterbreite Wsoll davon abhängt, wie groß der Materialstress aufgrund des Heizens ist. Je nach der Größe des beim Heizen bzw. beim Schalten auftretenden Stresses müssen also unterschiedliche Fertigungstoleranzen eingehalten werden.
In der Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen MZI-Schalter dargestellt. Bei diesem Schalter sind die beiden Wellenleiter 500 und 510 gleich lang.
Der untere Wellenleiter 500 ist segmentiert und weist zwei Wellenleiterbereiche 520 und 530 unterschiedlicher Breite W2 und W3 auf (z. B. W3 > W2) . Der obere Wellenleiter 510 hat die Breite Wl .
Für die Optimierung des MZI-Schalters gemäß der Figur 8 müssen nun folgende zwei Bedingungsgleichungen erfüllt werden:
1. Bedingung (Schaltzustand „Ein": Paus/Pein = 1, „ohne Heizen", ΔT = 0 ) .
{Ll)]~ [(neff2 TM )L2 + [neff3 M ) 3j
Figure imgf000025_0001
2π
([neff TE (El)] - [{neff2 E )L2 + {neff TE Jtt]) λ
2.Bedingung: Schaltzustand „Aus": Paus/Pein = 0, „mit Heizen", AT = ATπ :
(El)]- [(neff2<m + Anm )L2 + (neff3>TM + Anm )l3]) =
Figure imgf000025_0002
- §neff TE (El)]- [{neff2JE + AnTE )L2 + {neff3JE + nTE )L3 }
Zur Lösung dieses GleichungsSystems und zur Optimierung des MZI-Schalters gemäß der Figur 8 ist wiederum ein
Suchalgorithmus zu verwenden, wie er beispielsweise oben bereits im Zusammenhang mit dem MZI-Schalter gemäß der Figur 5 erläutert wurde. Als Ergebnis erhält man die Wellenleiterbreiten Wl, W2, W3 und die Länge L der beiden Wellenleiter 500 und 510.
Bezugszeichenliste
Figure imgf000027_0001
Figure imgf000028_0001

Claims

Patentansprüche
1. Polarisationsunabhängiges optisches Bauelement mit einer Mach-Zehnder-Wellenleiterstruktur mit zwei Wellenleitern (160, 170) dadurch gekennzeichnet, dass
- im Hinblick auf die Polarisationsunabhängigkeit mindestens einer der beiden Wellenleiter (160) der Mach- Zehnder-Wellenleiterstruktur segmentiert ist und mindestens zwei Wellenleiterbereiche (200, 210, 220) mit unterschiedlichem Wellenleiterquerschnitt, insbesondere unterschiedlicher Wellenleiterbreite (Wl, W2 , W3), aufweist .
2. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, es ein Wellenlängenfilter oder - splitter ist.
3. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement ein
Schaltmodul (110) ist, das zumindest zwei Schaltzustände aufweist, und die Mach-Zehnder-Wellenleiterstruktur eine Schaltzone (150) bildet, die die Schaltzustände des Schaltmoduls (110) in Abhängigkeit von der zwischen den beiden Wellenleitern (160, 170) vorliegenden Phasenverschiebung (θ) bestimmt.
4. Optisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzone (150) eingangsseitig und ausgangsseitig mit jeweils einem 3dB- Teiler (140, 180) verbunden ist unter Bildung eines Mach- Zehnder-Interferometer-Schalters .
5. Optisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzone (150) eingangsseitig mit einem 3dB-Teiler und ausgangsseitig mit einem 3dB-Richtkoppler verbunden ist unter Bildung eines 1X2- Schalters .
6. Optisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzone (150) eingangsseitig und ausgangsseitig mit einem 3dB-Richtkoppler verbunden ist unter Bildung eines 2X2-Schalters .
7. Optisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es mit weiteren Bauelementen unter Bildung einer N X M- Schaltmatrix kombiniert ist.
8. Optisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter (160, 170) eine unterschiedliche Länge aufweisen.
9. Optisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine segmentierte Wellenleiter (160) drei
Wellenleiterbereiche (200, 210, 220) aufweist und bezüglich der Wellenleitermitte einen spiegelsymmetrischen Aufbau hat .
10. Optisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Phasenverschiebung (θ) zwischen den beiden Wellenleitern (160, 170) thermo-optisch, elektro-optisch und/oder durch Ladungsträgerinjektion hervorgerufen wird.
11. Optisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter Glaswellenleiter sind.
12. Optisches Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Claddingschicht des Wellenleiters eine amorphe Silizium-Schicht aufliegt.
13. Optisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement zwei Schaltzustände aufweist und die Wellenleiterquerschnitte, insbesondere die Wellenleiterbreiten (W2, W3 , W4) , und die Länge der Wellenleiterbereiche (L2, L3 , L4) derart zueinander dimensioniert sind, dass das optische Bauelement zumindest für die beiden Schaltzustände polarisationsunabhängig ist.
14. Optisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement thermooptisch schaltbar ausgeführt ist und die Wellenleiterquerschnitte, insbesondere die Wellenleiterbreiten (W2, W3 , W4) , und die Länge der Wellenleiterbereiche (L2, L3, L4) unter Berücksichtigung der Materialspannungen aufgrund des Aufwärmens des Bauelements dimensioniert sind.
15. Verfahren zu Herstellen eines optisches Bauelements, bei dem eine Mach-Zehnder-Wellenleiterstruktur mit zwei
Wellenleitern (160, 170) derart hergestellt wird, dass das optische Bauelement zumindest für eine Betriebsart oder Anwendung polarisationsunabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- mindestens einer der beiden Wellenleiter (160) der Mach- Zehnder-Wellenleiterstruktur segmentiert wird und mindestens zwei Wellenleiterbereiche (200, 210, 220) mit unterschiedlichem Wellenleiterquerschnitt, insbesondere unterschiedlichen Wellenleiterbreiten (W2, W3 , W4) , gebildet werden und die Wellenleiterquerschnitte (W2, W3 , W4) und die Länge der Wellenleiterbereiche (L2, L3 , L4) derart dimensioniert werden, dass das optische Bauelement polarisationsunabhängig ist.
16. Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauelements nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Bauelement ein Schaltmodul mit zwei Schaltzuständen hergestellt wird und die Wellenleiterquerschnitte, insbesondere die Wellenleiterbreiten (W2, W3 , W4) , und die Länge der Wellenleiterbereiche (L2, L3, L4) derart zueinander dimensioniert werden, dass das optische Schaltmodul für beide
Schaltzustände polarisationsunabhängig ist.
17. Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauelements nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Schaltmodul ein thermooptisch.es Schaltmodul hergestellt wird und die Wellenleiterquerschnitte, insbesondere die Wellenleiterbreiten (W2, W3, W4) , und die Länge der Wellenleiterbereiche (L2, L3, L4) unter Berücksichtigung der MaterialSpannungen durch das Aufwärmen des Bauelements dimensioniert werden.
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