DE69411144T2

DE69411144T2 - Breitbandiger integriert-optischer Richtkoppler

Info

Publication number: DE69411144T2
Application number: DE69411144T
Authority: DE
Inventors: Christian Corning Incorporated Corning Ny 14831 Lerminiaux
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2014-02-04
Also published as: AU688827B2; CA2141379A1; EP0667542B1; AU1145295A; JPH07230014A; US5559913A; EP0667542A1; DE69411144D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Richtkopplung zwischen zwei Wellenleitern, die in einem Substrat integriert sind, und insbesondere eine Vorrichtung, die durch einen Betrieb mit geringem Verlust und großer Bandweite gekennzeichnet ist und akzeptable Grenzwellenlängencharakteristiken aufweist.
Eine Kostenverringerung optischer Netzwerke läßt sich erreichen, indem sich mehrere Teilnehmer eine Faser teilen. Die Ionenaustausch-Technologie, zum Beispiel, hat sich als eine vielversprechende Technologie zur Herstellung von 1 · N-Teilern mit bis zu 16 Ausgangsports erwiesen. Wenn sie als Y-Verbindungen ausgebildet sind, liefern diese Vorrichtungen eine ausgezeichnete Achromatizität und Gleichmäßigkeit bei geringen Verlusten.
Die Möglichkeit, einen zweiten Eingang zu einem System zu schaffen, ist aus verschiedenen Gründen zunehmend erwünscht, wie zum Beispiel: (a) das Multiplexen zweier unterschiedlicher Signale; (b) die Redundanz unterschiedlicher Pfade zum Erreichen eines Teilungspunkts; (c) Flexibilität beim zukünftigen Einsatz des Netzwerks; und (d) bereitstellen eines Netzwerktesteingangspunkts. Verbindungen, die einen zweiten Eingang bilden können, beispielsweise eine 2 · 2-Verbindung, sind schwieriger zu erstellen als eine 1 · 2-Verbindung, wenn die Technologie planarer Y- Verbindungen verwendet wird. Die Kombination zweier Y-Verbindungen, von denen eine einen zweiten Eingang eines 1 · N-Teilers bildet, führt zu einem zusätzlichen Verlust von 3 dB; ein solch hoher Verlust ist inakzeptabel.
Daher wurden interferometrische Vorrichtungen zum Kombinieren von Signalen in integrierten Schaltungen verwendet. Fig. 1 zeigt einen symmetrischen Wellenleiterkoppler 10, der als Wellenlängenteilungsmultiplexer (WDM) zum Kombinieren/Trennen zweier Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen dient. Er weist zwei gerade parallele Wellenleiter 11 und 12 und gebogene Annäherungssegmente 13, 14, 15 und 16 auf, deren Enden als Eingangs-/Ausgangsports bezeichnet werden. Die Ports sind um einen Abstand voneinander getrennt, der durch den Durchmesser beschichteter optischer Fasern 19-22 festgelegt ist, welche an diesen Ports beispielsweise durch "Pigtailing"-Technik angebracht sind.
Ein Breitbandkoppler für optische Wellenleiter ist in der Veröffentlichung von a. Takagi et al. "Broadband Silica-Based Optical Waveguide Coupler with Asymmetric Structure", Electronics Letters, 18. Jan., 1990, Vol. 26, Nr. 2, S. 132-133, offenbart. Die Vorrichtung wird breitbandig gemacht, indem die beiden Pfade derart ausgebildet werden, daß sie im Kopplungsbereich unterschiedliche Ausbreitungskonstanten haben. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die Unterschiedlichkeit der Ausbreitungskonstanten erreicht, indem die Breite eines der Wellenleiterpfade verändert wird. Der gerade Wellenleiter 11 und die Segmente 13 und 15 behalten die selbe Breite bei, die sie im WDM-Koppler hatten, jedoch ist der Wellenleiter 12' schmaler als der Wellenleiter 11, wobei die Annäherungssegmente 14 und 16 von der Standardbreite an den Eingangs- und Ausgangsports auf die geringere Breite am Wellenleiter 12' verjüngt sind. Weitere bekannte Richtkoppler finden sich in US-A-5 165 001 oder im Journal of Lightwave Technology, Vol. 10, Nr. 6, S. 735-746.
Bei einem Δβ-Richtkoppler wird die von einem Wellenleiter zum anderen übertragene Energie wie folgt wiedergegeben:
wobei L die Wechselwirkungslänge bezeichnet, C die Kopplungskonstante ist, und F von Δβ, der Differenz zwischen den Ausbreitungskonstanten β&sub1; und β&sub2; der beiden Wellenleiter, abhängt und durch
ausgedrückt ist.
In Zusammenhang mit der Herstellung eines 3 dB-Kopplers kann aufgezeigt werden, daß die Wellenlängenreaktion des Richtkopplers in einem maximalen Ausmaß abgeflacht ist, wenn F2 gleich ½ ist und L derart gewählt ist, daß CL/F gleich (2n + 1)π/2 ist. Es tritt eine unvollständige Energieübertragung auf, wodurch die von der Wellenlänge abhängige Ausgangsleistung geringer ist.
Der Δβ-Koppler der Veröffentlichung von Takagi et al. wird durch eine Kombination von Flammen-Hydrolyse-Ablagerung von SiO&sub2; auf Si, Photolithographie und reaktivem Ionenätzen hergestellt. Ein relativ geringer Überschußverlust wird in den gebogenen Bereichen der verjüngten Annäherungssegmente 14' und 16' aufgrund ihres verringerten Durchmessers eingebracht.
Das Ionenaustauschverfahren unterscheidet sich von der Flammen-Hydrolyse oder anderen planaren Verfahren darin, daß es unmöglich ist, die Breite eines im Ionenaustauschverfahren hergestellten Wellenleiterpfades ohne Verringerung seines maximalen Brechungsindexes zu verringern. Daher wird der effektive Index des schmaleren Pfads sowohl durch (a) das Verringern der Pfadbreite, als auch (b) die Verkleinerung des Brechungsindex verringert. Wird das Ionenaustauschverfahren zur Bildung der Wellenleiterpfade in einem Δβ-Richtkoppler verwendet, vergrößern die beiden Effekte (a) und (b) die Differenz zwischen den effektiven Indexen der beiden Pfade (und somit das Δβ), und beide Effekte verstärken darüber hinaus die Verluste im gebogenen Annäherungsbereich.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten integriert-optischen Richtkoppler zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe, einen breitbandigen integriert- optischen Richtkoppler zu schaffen, der geringe Verluste und gewünschte Grenzwellenlängeneigenschaften aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft, allgemein gesagt, eine integriert-optische Vorrichtung zum Richtkoppeln zwischen zwei Wellenleitern. Die Vorrichtung weist ein erstes und ein zweites Wellenleitereingangsendsegment mit der gleichen Breite auf. Ein erstes und zweites gerades Wechselwirkungswellenleitersegment sind zueinander parallel und nahe benachbart angeordnet. Das erste gerade Segment ist schmaler als das erste und das zweite Eingangsendsegment, und das zweite gerade Segment ist breiter als das erste und das zweite Eingangsendsegment. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten geraden Wechselwirkungssegment ist kleiner als der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsendsegment. Eine erste Eingangseinrichtung verbindet das erste Eingangsendsegment mit dem ersten geraden Segment, und eine zweite Eingangseinrichtung verbindet das zweite Endsegment mit dem zweiten geraden Segment. Eine Ausgangseinrichtung koppelt ein Signal aus dem ersten oder dem zweiten geraden Pfad ein.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines bekannten asymmetrischen integriertoptischen Richtkopplers.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen asymmetrischen integriert-optischen Richtkopplers.
Fig. 3 und 4 sind schematische Darstellungen zweier unterschiedlicher Modifizierungen des Ausgangsendes der Vorrichtung von Fig. 2.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des Einkopplungsverlust, der als Funktion der Wellenlänge aufgetragen ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die Zeichnungen geben nicht den Maßstab oder die relativen Proportionen der gezeigten Elemente wieder.
Der verbesserte erfindungsgemäße Δβ-Koppler 26 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Koppler weist zwei gerade parallele Wellenleiter 27 und 28 und Annäherungssegmente 29, 30, 31 und 32 auf. Die Annäherungssegmente 29 und 31, die mit dem geraden Segment 27 verbunden sind, weisen gebogene Segmente 33 bzw. 35 auf, die mit Endsegmenten 37 bzw. 39 durch Übergangssegmente 41 bzw. 43 verbunden sind. Die Annäherungssegmente 30 und 32, die mit dem geraden Segment 28 verbunden sind, weisen gebogene Segmente 34 bzw. 36 auf, die mit Endsegmenten 38 bzw. 40 durch Übergangssegmente 42 bzw. 44 verbunden sind. Die Übergangssegmente sind zur Bildung von Verbindungen mit geringen Verlusten zwischen den Wellenleiterpfaden des Kopplers und optischen Fasern erforderlich. Zwar sind die Übergangssegmente in Fig. 2 unmittelbar neben den Endsegmenten angeordnet, jedoch können sie auch entlang der Länge der gebogenen Segmente angeordnet sein, wie in Fig. 1 dargestellt. Jedoch kann das Anordnen eines Übergangssegments in einem gebogenen Bereich die Verluste vergrößern.
Das gerade Wellenleitersegment 27 ist schmaler als die Endsegmente 37 und 39. Zur Verringerung von Überschußverlusten ist der schmalere Pfad 27 nicht ganz so schmal ausgebildet, wie dies im Stand der Technik der Fall ist (siehe Fig. 1). Dies wird erreicht, indem der andere gerade Wellenleiterpfad 28 geringfügig breiter ausgebildet wird als die Endsegmente 38 und 40. Auf diese Weise läßt sich das erforderliche Δβ erreichen, ohne den Pfad 27 so schmal zu machen, daß dessen Breite und dessen verringerter Brechungsindex den Überschußverlust übermäßig vergrößern.
Mit zunehmender Breite des geraden Segments 28 nimmt dessen Grenzwellenlänge zu. Die Standard-Grenzwellenlänge des zweiten Modus beträgt ungefähr 1200 nm. Eine Abweichung von 1,0 um in der Pfadbreite führt zu einer Verschiebung der Grenzwellenlänge von 200 nm. Der breitere Pfad 28 kann nicht derart breit gemacht werden, daß seine Grenzwellenlänge die Betriebswellenlänge überschreitet, da etwas Rauschen oder einige Verluste durch das Einleiten von Energie in den Modus der zweiten Ordnung möglich sind. Im Gegensatz zu einem Standard-Schmalbandkoppler mit geraden Pfaden gleicher Breite, wird die Differenz zwischen den Ausbreitungskonstanten der beiden gekoppelten Wellenleiter daher durch eine angemessene Veränderung der Breite beider Wellenleiter erreicht.
Wenn die Endsegmente eine Pfadbreite zwischen ungefähr 2 um und 4 um aufweisen, unterscheidet sich die Breite der Segmente 27 und 28 normalerweise von der Breite des Endsegments um ungefähr 0,2 um bis 0,5 um.
Bei erfindungsgemäß ausgebildeten Δβ-Kopplern beträgt S' üblicherweise zwischen 9 um und 12 um und L' liegt zwischen 500 um und 2000 um, um ein 3 dB-Teilungsverhältnis bei 1,3 und 1,55 nm zu erreichen. Die Entfernung L' ist die Länge des Kopplungsbereichs und S' bezeichnet den Abstand zwischen der Mitte eines Wellenleiters zur Mitte des anderen Wellenleiters.
Die verjüngten Segmente 41-44 wurden mit bis zu 1 mm Länge ausgebildet, jedoch haben auch kürzere Längen von bis zu 100 um zufriedenstellende Ergebnisse gezeitigt. Längere verjüngte Segmente führen lediglich zu einer unnötigen Verlängerung der Vorrichtung.
Als spezifisches Beispiel wurde die Vorrichtung im Ionenaustauschverfahren hergestellt. Beispiele für Verfahren und Vorrichtungen zur Bildung eines optischen Wellenleiterpfades in der Oberfläche eines Glassubstrats durch Ionenaustausch und das anschließende Vergraben dieses Pfades sind in den US-Patenten 3 836 384, 4 765 702, 4 842 629, 4 913 717, und 4 933 262 zu finden. Ferner sei verwiesen auf die Veröffentlichungen: R. V. Ramaswamy et al., "Ion-Exchanged Glass Waveguides: A Review", Journal of Lightwave Technology, Vol. 6, Nr. 6, Juni 1988, S. 984-1002; H. J. Lilienhof et al., "Index Profiles of Multimode Optical Strip Waveguides by Field Enhanced Ion Exchange in Glasses", Optics Communications, Vol. 35, Nr. 1, Oktober 1980, S. 49-53; und A. Miliou et al., "Fiber Compatible K&spplus;-Na&spplus;Ion-Exchanged Channel Waveguides: Fabrication and Characterization", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 25, Nr. 8, August 1989, S. 1889-1897. Das Substrat bestand aus einem Aluminioborosilikatglas mit Natrium- und Kalium-Ionen. Sein Brechungsindex betrug 1,463. Das Austauschion, das die Wellenleiterpfade bildete, war Thallium. Die Breite der Maskenöffnungen für die Pfade 27, 33 und 35 betrug 2,6 um. Die Breite der Maskenöffnungen der Pfade 28, 34 und 36 betrug 3,2 um. Die Breite der Maskenöffnungen für die Pfade 37, 38, 39 und 40 betrug 2,9 um. Es existiert eine direkte Korrelation zwischen der Breite der Maskenöffnung und dem Indexprofilradius oder der Wellenleiterpfadbreite. Die Querschnittsform des Wellenleiters mit hohem Index ist annähernd kreisrund, wobei das Profil diffus ist. Die Abmessungen L' und S' betrugen 1000 um und 11,5 um. Fig. 5 zeigt den Einkopplungsverlust für diesen Koppler. Die Kurve 61 repräsentiert das Ausgangssignal am Segment 39, wenn das Eingangssignal am Segment 37 angelegt wird. Die Kurve 62 zeigt das Ausgangssignal am Segment 40, wenn das Eingangssignal am Segment 37 anliegt. Die Kurve 63 zeigt das Ausgangssignal am Segment 40, wenn das Eingangssignal am Segment 38 angelegt wird. Der Einkopplungsverlust beträgt 3,3 dB ± 0,5 dB im ersten Fenster (1260 bis 1360 nm) und 3,7 dB ± 0,5 dB. Im zweiten Fenster (1480 bis 1580 nm). Der durchschnittliche Überschußverlust liegt daher auf dem gleichen Niveau wie bei einem Standard-WDM- Koppler.
Wird die Vorrichtung nur zum Kombinieren zweier Signale verwendet, muß sie kein mit beiden geraden Segmenten 27 und 28 verbundenes Ausgangssegment aufweisen. In den Fig. 3 und 4 sind Beispiele dargestellt, bei denen Elemente ähnlich denen von Fig. 2 durch mit einem Apostroph versehene Bezugszeichen bezeichnet sind. In den Fig. 3 und 4 sind die gebogenen Segmente 36 und 38 durch Abschlußsegmente 50 und 55 ersetzt.

Claims

1. Integriert-optische Vorrichtung zur Richtkopplung zwischen zwei Wellenleitern, mit

- einem ersten und einem zweiten Wellenleitereingangsendsegment (37, 38) mit gleicher Breite,

- einem ersten und einem zweiten geraden Wechselwirkungswellenleitersegment (27, 28) von konstanter Breite, die zueinander parallel und nahe beieinander angeordnet sind, wobei das erste gerade Segment (27) schmaler als das erste und das zweite Eingangsendsegment (37, 38) ist, wobei das zweite gerade Segment (28) breiter als das erste und das zweite Eingangsendsegment (37, 38) ist, und wobei der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten geraden Wechselwirkungswellenleitersegment (27, 28) geringer ist als der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleitereingangsendsegment (37, 38),

- einer ersten Eingangseinrichtung (29) zum Verbinden des ersten Eingangsendsegments (37) mit dem ersten geraden Segment (27),

- einer zweiten Eingangseinrichtung (30) zum Verbinden des zweiten Eingangsendsegments (38) mit dem zweiten geraden Segment (28), und

- einer Ausgangseinrichtung (31, 32) zum Koppeln eines Signals von dem ersten oder dem zweiten geraden Segment (27, 28).

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Eingangseinrichtung (29) ein erstes gebogenes Segment (33), das zwischen dem ersten geraden Segment (27) und dem ersten Eingangsendsegment (37) verbunden ist, und ein erstes sich verjüngendes Übergangssegment (41), das innerhalb der ersten Eingangseinrichtung (29) angeordnet ist, aufweist, und bei der die zweite Eingangseinrichtung (30) ein zweites gebogenes Segment (34) aufweist, das zwischen dem zweiten geraden Segment (28) und dem zweiten Eingangsendsegment (38) verbunden ist, und wobei ein zweites sich verjüngendes Übergangssegment (42) innerhalb der zweiten Eingangseinrichtung (30) angeordnet ist.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das erste und das zweite sich verjüngende Segment (41, 42) jeweils unmittelbar dem ersten und zweiten Eingangssegment (37, 38) benachbart angeordnet sind.

4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das erste und das zweite sich verjüngende Segment (41, 42) jeweils entlang der Länge des ersten und des zweiten gekrümmten Segments (3, 34) angeordnet sind.

5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangseinrichtung (31, 31') ein drittes Endsegment (39, 39') und ein drittes gebogenes Segment (35, 35') aufweist, das zwischen einem Ausgangsende des ersten geraden Segments (27, 27') und dem dritten Endsegment (39, 39') verbunden ist.

6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangseinrichtung (32, 32') ein viertes Endsegment (40, 40') und ein viertes gebogenes Segment (36, 36') aufweist, das zwischen einem Ausgangsende des zweiten geraden Segments (28, 28') und dem vierten Endsegment (40, 40') verbunden ist.

7. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangseinrichtung (31, 32) ein drittes und ein viertes Endsegment (39, 40), ein drittes gebogenes Segment (35), das zwischen einem Ausgangsende des ersten geraden Segments (27) und dem dritten Endsegment (37) verbunden ist, und ein viertes gebogenes Segment (36) aufweist, das zwischen einem Ausgangsende des zweiten geraden Segments (28) und dem vierten Endsegment (40) angeordnet ist.

8. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangseinrichtung eine optische Faser (21', 22') ist, die über einen Wellenleiterpfad mit dem ersten oder dem zweiten geraden Segment (27, 28) verbunden ist.

9. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangseinrichtung (31, 31') ein drittes Endsegment (39, 39'), das über ein drittes gebogenes Segment (35, 35') mit einem Ausgangsende des ersten geraden Segments (27, 27') verbunden ist, und eine axial in bezug zu dem dritten Endsegment (39, 39') angeordnete optische Faser (21') aufweist.

10. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangseinrichtung (32, 32') ein viertes Endsegment (40, 40'), das über ein viertes gebogenes Segment (36, 36') mit einem Ausgangsende des zweiten geraden Segments (28, 28') verbunden ist, und eine axial in bezug zu dem vierten Endsegment (40, 40') angeordnete optische Faser (22, 22') aufweist.

11. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausgangseinrichtung (31, 32) ein drittes Endsegment (39), das über ein drittes gebogenes Segment (35) mit einem Ausgangsende des ersten geraden Segments (27) verbunden ist, und eine axial in bezug zu dem dritten Endsegment (39) angeordnete erste optische Ausgangsfaser (21'), und ein viertes Endsegment (40), das über ein viertes gebogenes Segment (36) mit einem Ausgangsende des zweiten geraden Segments (28) verbunden ist, und eine axial in bezug zu dem vierten Endsegment (40) angeordnete zweite optische Ausgangsfaser (22') aufweist.

12. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Segmente durch ein Ionenaustauschverfahren gebildet sind.