DE4013563C1

DE4013563C1 - Fibre=optic coupling piece for telecommunications - forms junction by inserting fibre of smaller dia. into that of greater

Info

Publication number: DE4013563C1
Application number: DE19904013563
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Prof. Dr.-Ing. 3300 Braunschweig De Unger
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1991-11-14
Anticipated expiration: 2010-04-28

Abstract

A junction is established is between two optical fibres having different cross-sectional dimensions. The fibre with the smaller cross-section extends inside that with the larger cross-section. The smaller cross-section fibre widens out from a very small cross-section to its nominal cross-section. The junction is based on an integrated optical or optoelectronic circuit, i.e. a chip, which includes a substrate (2) on whcih a layer or coating (3) forms a ribbed waveguide structure together with a rib (4) extending from one side of the chip over a certain length of the coating. An optical fibre consisting of a core (5) and a wall (6) abuts tightly the side of the chip where the ribbed wavegide (3, 4) starts. ADVANTAGE - Low loss. Technically simple.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Übergang zwischen zwei optischen Wellenleitern mit unterschiedlich großen Querschnitten gemäß dem OB des A1.The present invention relates to a transition between two optical waveguides with different cross sections according to the OB of A1.

In der optischen Nachrichtentechnik besteht oft das Problem, einen Wellenleiter an einen anderen Wellenleiter mit kleinerem Querschnitt anzukoppeln. Dabei sollten die Wellen auf dem Wellenleiter mit dem größeren Querschnitt möglichst mit ihrer gesamten Leistung in den Wellenleiter des kleineren Querschnitts überkoppelt werden.The problem in optical communications technology is often a waveguide to another waveguide with a smaller one Coupling cross section. The waves should be on the Waveguides with the larger cross section, if possible, with their total power in the waveguide of the smaller Cross-section are coupled.

Beispielsweise in der integrierten Optik bzw. Optoelektronik müssen als Übertragungsmedien dienende Lichtleitfasern mit planaren Wellenleitern in oder auf Chips der integrierten optischen oder optoelektronischen Schaltungen gekoppelt werden. Es wäre hierfür ein Wellenleiterübergang erforderlich, der eine möglichst verlustarme Transformation der Grundwelle der Lichtleitfaser mit einem Felddurchmesser von typischerweise 10 µm in die Grundwelle des planaren Wellenleiters auf den Chip mit ihrer viel kleineren transversalen Feldausdehnung bewirkte.For example in integrated optics or optoelectronics must be used as transmission media with optical fibers planar waveguides in or on chips of the integrated coupled optical or optoelectronic circuits will. This would require a waveguide transition which is a low-loss transformation of the fundamental wave the optical fiber with a field diameter of typically 10 µm in the fundamental wave of the planar Waveguide on the chip with their much smaller transversal field expansion caused.

Ein Übergang gemäß dem OB des A1 ist aus der DE 35 44 136 A1 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen Faserkonus zur Koppelung einer Monomodefaser mit einem Halbleiterlaser.A transition according to the OB of A1 is from DE 35 44 136 A1 known. It is a fiber cone for Coupling a single-mode fiber with a semiconductor laser.

Ein anderer Übergang zwischen optischen Wellenleitern geht aus der US-A-39 94 559 hervor. Hierbei ist auf einem in einer Nut eines Silizium-Substrats verlaufenden Wellenleiter ein Wellenleiter mit geringerem Querschnitt aufgebracht, der an einem Ende durch eine Höhenreduzierung verjüngt ist.Another transition between optical waveguides emerges from US-A-39 94 559. Here is on a running in a groove of a silicon substrate Waveguide is a waveguide with a smaller cross section applied that at one end by a height reduction is rejuvenated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Übergang der eingangs genannten Art anzugeben, der möglichst verlustarm und technologisch einfach zu realisieren ist.The invention has for its object a transition Specify the type mentioned at the beginning, the least possible loss and is technologically easy to implement.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. According to the invention, this object is achieved through the features of Claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nun die Erfindung näher erläutert.Using one shown in the drawing The invention will now be explained in more detail by way of example.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht, Fig. 1 shows a side view,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt A-A und Fig. 2 shows a cross section AA and

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen optischen Wellenleiterübergang. Fig. 3 shows a plan view of an optical waveguide transition.

Exemplarisch für die in der Praxis vorkommenden Wellenleiterübergänge ist in den Fig. 1, 2 und 3 in verschiedenen Ansichten eine Wellenleiteranordnung dargestellt, die eine sehr verlustarme Ankopplung einer Lichtleitfaser an einen planaren Wellenleiter auf einer integrierten optischen bzw. optoelektronischen Schaltung - im folgenden kurz Chip genannt - realisiert.As an example of the waveguide transitions that occur in practice, a waveguide arrangement is shown in different views in FIGS. 1, 2 and 3, which shows a very low-loss coupling of an optical fiber to a planar waveguide on an integrated optical or optoelectronic circuit - hereinafter referred to as a chip - realized.

Der Chip 1 besteht aus einem Substrat 2, auf dem eine Schicht 3 aufgebracht ist. Von einer Seitenkante des Chips 1 aus erstreckt sich über eine gewisse Länge auf der Schicht 3 eine Rippe 4. Die Schicht 3 stellt also mit dieser Rippe 4 einen sogenannten Rippenwellenleiter dar. Auf diese Seitenkante des Chips, wo der Rippenwellenleiter 3, 4 beginnt, stößt stumpf eine Lichtleitfaser, bestehend aus einem Kern 5 und einem Mantel 6, mit ihrer Stirnseite und zwar so, daß ihr Kern 5 mit der Rippe 4 der Schicht 3 fluchtet. Das Substrat 2 des Chips 1 hat eine etwas kleinere Brechzahl als die Schicht 3, wie sie unter praktischen Bedingungen bei Halbleitersubstraten schon durch die oft übliche n-Dotierung des Substrats und dem Plasmaeffekt der damit verbundenen quasi-freien Elektroden gegeben ist. Wenn die Schicht 3 nur entsprechend dick ist, die Rippe 4 auf dieser Schicht 3 aber genügend flach und breit ist, führt dieser Rippenwellenleiter 3, 4 nur die Grundwelle, und die transversale Feldverteilung dieser Welle paßt sich nach Form und Ausdehnung gut an die transversale Feldverteilung der Lichtleitfaser-Grundwelle an. Unter diesen Bedingungen koppelt nahezu die gesamte Leistung aus der Lichtleitfaser zunächst in den einwelligen Rippenwellenleiter 3, 4 mit seinem verhältnismäßig großen Querschnitt ein. Die stirnseitige Positionierung der Lichtleitfaser auf der Seitenkante des Chips 1 ist nicht besonders kritisch, denn selbst wenn die Lichtleitfaser transversal etwas gegenüber der Position versetzt ist, in der sich ihr Grundwellenfeld am besten mit dem Grundwellenfeld des Rippenwellenleiters 3, 4 überlappt, koppelt die Leistung der Lichtleitfaserwelle immer noch fast vollständig in die Grundwelle des Rippenwellenleiters 3, 4 ein.The chip 1 consists of a substrate 2 , on which a layer 3 is applied. A rib 4 extends from a side edge of the chip 1 over a certain length on the layer 3 . The layer 3 thus represents a so-called rib waveguide with this rib 4. An optical fiber consisting of a core 5 and a cladding 6 butts with its end face butt on this side edge of the chip, where the rib waveguide 3 , 4 begins. that its core 5 is aligned with the rib 4 of the layer 3 . The substrate 2 of the chip 1 has a somewhat lower refractive index than the layer 3 , as is already the case under practical conditions for semiconductor substrates due to the often customary n-doping of the substrate and the plasma effect of the quasi-free electrodes associated therewith. If the layer 3 is only correspondingly thick, but the rib 4 on this layer 3 is sufficiently flat and wide, this rib waveguide 3 , 4 only guides the fundamental wave, and the transverse field distribution of this wave adapts well to the transverse field distribution in terms of shape and extension the optical fiber fundamental wave. Under these conditions, almost the entire power from the optical fiber is initially coupled into the single-wave ribbed waveguide 3 , 4 with its relatively large cross-section. The end-face positioning of the optical fiber on the side edge of the chip 1 is not particularly critical, because even if the optical fiber is transversely offset somewhat from the position in which its fundamental wave field best overlaps with the fundamental wave field of the rib waveguide 3 , 4 , the power of the Optical fiber wave still almost completely into the fundamental wave of the rib waveguide 3 , 4 .

Von der Grundwelle des Rippenwellenleiters 3, 4 wird die von der Lichtleitfaser 5, 6 her eingekoppelte Leistung nun in die Grundwelle eines planaren Wellenleiters 7 mit viel kleinerem Querschnitt als der des Rippenwellenleiters 3, 4 tranformiert. Dieser planare Wellenleiter 7 führt zu den auf dem Chip 1 befindlichen optischen oder optoelektronischen Schaltungselementen. Wie den Fig. 1 bis 3 zu entnehmen ist, handelt es sich bei diesem Wellenleiter 7 um einen in der Schicht 3 eingegrabenen Streifenwellenleiter, der innerhalb des Rippenwellenleiters 3, 4 und parallel zu diesem verläuft. Sein Querschnitt ist nach Form und Größe und mit seiner Brechzahl so auf die ihn umgebende Schicht 3 abgestimmt, daß er seine Grundwelle, höhere Eigenwellen aber nicht führt.From the fundamental wave of the ribbed waveguide 3 , 4 , the power coupled in by the optical fiber 5 , 6 is now transformed into the fundamental wave of a planar waveguide 7 with a much smaller cross section than that of the ribbed waveguide 3 , 4 . This planar waveguide 7 leads to the optical or optoelectronic circuit elements located on the chip 1 . As can be seen from FIGS. 1 to 3, this waveguide 7 is a strip waveguide buried in the layer 3 , which runs inside the rib waveguide 3 , 4 and parallel to it. Its cross-section is tailored to the surrounding layer 3 in terms of shape and size and with its refractive index so that it does not carry its fundamental wave, but higher natural waves.

Bei einem Chip 1 mit einem n-dotiertem InP-Substrat 1 und einer weniger stark dotierten InP-Schicht 2 kann der vergrabene Streifenwellenleiter 7 aus In-GaAsP bestehen.In the case of a chip 1 with an n-doped InP substrate 1 and a less heavily doped InP layer 2 , the buried strip waveguide 7 can consist of In-GaAsP.

Auf einer Strecke, wo der eingegrabene Streifenwellenleiter 7 innerhalb des Rippenwellenleiters 3, 4 verläuft, weitet sich der Streifenwellenleiter 7, beginnend an der Seitenkante des Chips 1, von einem sehr kleinen Querschnitt auf seinen endgültigen Querschnitt auf (vgl. Fig. 3). Im einfachsten Fall erfolgt diese Querschnittsaufweitung nur bezüglich der Wellenleiterbreite bei konstant gehaltener Höhe, weil das für die technologische Realisierung am unproblematischsten ist.On a route where the buried strip waveguide 7 runs inside the rib waveguide 3 , 4 , the strip waveguide 7 widens, starting at the side edge of the chip 1 , from a very small cross section to its final cross section (see FIG. 3). In the simplest case, this cross-sectional widening takes place only with respect to the waveguide width at a constant height, because this is the least problematic for the technological implementation.

Daß die Leistung aus der sehr weiten Welle des Rippenwellenleiters 3, 4 nahezu vollständig in die viel engere Welle des eingegrabenen Wellenleiters 7 übergeht, wird deutlich, wenn man die Reziprozität der Anordnung bedenkt. Wird nämlich die Grundwelle des eingegrabenen Streifenwellenleiters 7 vom Chip her zum Wellenleiterübergang hingeführt, so verliert sie wegen der allmählichen Verengung des Streifens 7 immer mehr ihre Bindung an den Streifen 7 und ihre Felder dehnen sich transversal ständig weiter in die Schicht 3 hinein aus. Schließlich erfahren die Felder dann aber die Führung durch die Ober- und Untergrenze der Schicht 3 und lateral durch die Seitenflanken der Rippe 4. Auf diese Weise geht dann die Welle des engen Streifenwellenleiters 7 in die Welle des weiten Rippenwellenleiters 3, 4 über.That the power from the very wide wave of the rib waveguide 3 , 4 passes almost completely into the much narrower wave of the buried waveguide 7 becomes clear when one considers the reciprocity of the arrangement. Namely, the fundamental wave of the buried stripe waveguide 7 guided to the chip forth to waveguide transition, it loses because of the gradual narrowing of the strip 7 increasing their binding to the strip 7 and their fields extend transversely continuously in the layer 3 inside out. Finally, however, the fields are guided through the upper and lower limits of layer 3 and laterally through the side flanks of rib 4 . In this way, the wave of the narrow strip waveguide 7 then merges with the wave of the wide rib waveguide 3 , 4 .

Ein Wellenleiterübergang der beschriebenen Art läßt sich leicht mit den üblichen planaren Technologien herstellen. Wenn es sich beim Subtrat 2 und der Schicht 3 um InP handelt und der Streifenwellenleiter 7 als vergrabene Heterostruktur aus an das InP gitterangepaßtem InGaAsP besteht, kann die allmähliche Verengung des Streifens in denselben Lithographie- Ätz- und Epitaxieschritten mit hergestellt werden, wie sie der Streifenwellenleiter 7 auf dem Chip 1 ohnehin erfordert.A waveguide transition of the type described can easily be produced using the usual planar technologies. If the substrate 2 and the layer 3 are InP and the strip waveguide 7 as a buried heterostructure consists of InGaAsP that is lattice-matched to the InP, the gradual narrowing of the strip can be produced in the same lithography, etching and epitaxy steps as that of the strip waveguide 7 required on the chip 1 anyway.

Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel können noch folgende Ausgestaltungen des Wellenleiterübergangs vorgenommen werden.Deviating from the described embodiment can the following refinements of the waveguide transition be made.

Wenn das Substrat 2 ein Halbleiter ist, kann die Schicht 3 auch aus einem anderen Halbleiter mit größerer Brechzahl als das Substrat 2 bestehen. Der eingegrabene Wellenleiter 7 kann selbst auch ein Rippenwellenleiter sein, dessen Rippe sich längs des Wellenleiterübergangs in ihrer Breite verjüngt, oder bei dem sich längs des Wellenleiterübergangs nicht nur die Rippe in ihrer Breite verjüngt, sondern auch die höher brechende Schicht 3 lateral getapert wird.If the substrate 2 is a semiconductor, the layer 3 can also consist of another semiconductor with a higher refractive index than the substrate 2 . The buried waveguide 7 itself can also be a rib waveguide, the rib of which tapers in width along the waveguide transition, or in which not only the rib tapers along the waveguide transition, but also the higher refractive layer 3 is laterally tapered.

Die Schicht 3 und damit auch die Rippe 4 können mit einem Stoff bedeckt sein, der eine Brechzahl hat, die kleiner als die Brechzahl der Schicht 3 ist. Anstelle der Rippe 4 kann die Schicht 3 auch mit einem flachen Streifen belastet werden, der im Falle einer Abdeckung über der Schicht 3 und damit auch über diesem Streifen in seiner Brechzahl höher als die Abdeckung sein muß.The layer 3 and thus also the rib 4 can be covered with a material that has a refractive index that is less than the refractive index of the layer 3 . Instead of the rib 4 , the layer 3 can also be loaded with a flat strip which, in the case of a covering over the layer 3 and thus also over this strip, must have a higher refractive index than the covering.

Claims

1. Transition between two optical waveguides with different cross sections, the waveguide with the smaller cross section running inside the waveguide with the larger cross section, the waveguide with the smaller cross section expanding from a very small to its final cross section, dgd the two waveguides ( 3, 4, 7 ) are planar waveguides and the waveguide with the smaller cross section ( 7 ) is buried in the waveguide with the larger cross section ( 3, 4 ), and that for the sole guidance of the fundamental wave in the waveguide with the smaller cross section ( 7 ), the speed and cross-section of which are matched to the waveguide with the larger cross-section ( 3, 4 ) in shape and size, in which the cross-sectional change takes place in such a way that the cross-sectional widening begins at the location of the largest field width.

2. Transition according to claim 1, characterized in that the waveguide with the larger cross section is a ribbed waveguide ( 3, 4 ).

3. Transition according to claim 1, characterized in that the waveguide ( 7 ) having a smaller cross section is a strip conductor.

4. Transition according to claim 1, characterized in that the waveguide ( 7 ) of smaller cross-section is a ribbed waveguide.

5. Transition according to claim 1, characterized in that the rib extends lengthways of the waveguide transition tapers in width.

6. Transition according to claim 1, characterized in that the waveguide ( 3, 4 ) larger cross-section with the waveguide ( 7 ) running therein smaller cross-section is applied to a semiconductor substrate ( 2 ).

7. Transition according to claim 6, characterized in that the waveguide ( 3, 4 ) having a larger cross section consists of the same semiconductor material as the substrate ( 2 ), the substrate ( 2 ) being more heavily doped than the waveguide ( 3, 4 ).

8. Transition according to claim 6, characterized in that the waveguide ( 3, 4 ) of larger cross-section and the substrate ( 2 ) consist of InP.

9. Transition according to claim 6, characterized in that the waveguide ( 3, 4 ) of larger cross-section consists of InGaAsP and the substrate ( 2 ) consists of InP.

10. Transition according to claim 6, characterized in that the waveguide ( 79 ) of smaller cross section consists of InGaAsP.

11. Transition according to one of the preceding claims, characterized in that the cross-sectional widening and with respect to the width of the waveguide with the smaller cross-section ( 7 ).

12. Transition according to one of the preceding claims, characterized in that an optical fiber ( 5, 6 ) is coupled on the end face to the side edge of the waveguide ( 3, 4 ) with the larger cross section, from which the waveguide ( 7 ) of the smaller cross section is coupled its cross-sectional expansion begins.