DE10056600C2 - Verfahren zur Herstellung eines elektro-optischen Transceivers für ein Wellenlängenmultiplex-System - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektro-optischen Transceivers für ein Wellenlän­ genmultiplex-System, bei dem die optischen wellenlängenselektiven Koppelein­ heiten als Phased Array Waveguide Gratings (AWG's) ausgebildet sind.

Es ist bekannt, Transceiver für Wellenlängenmultiplex-Systeme unter Verwen­ dung zweier optischer wellenlängenselektiver Koppler und entsprechender e­ lektro-optischer bzw. opto-elektrischer Wandler aufzubauen. Die wellenlängen­ selektiven Koppler bilden optische Multiplexer bzw. Demultiplexer, wobei der (Demultiplexer)-Koppler für den Empfangszweig das auf einem Eingangs- Lichtwellenleiter eingehende optische Wellenlängenmultiplex-Signal auf mehre­ re Ausgangs-Lichtwellenleiter entsprechend der einzelnen optischen Kanäle aufteilt und der (Multiplexer)-Koppler für den Sendezweig die mehreren opti­ schen Sendesignale, die von optischen Sendeelementen in jeweils einen von mehreren Eingangs-Lichtwellenleitern eingekoppelt werden, auf einem Aus­ gangs-Lichtwellenleiter zusammenfasst. Optische Multiplexer werden infolge ihrer geringen Einfügedämpfung häufig unter Verwendung sogenannter Phased Array Waveguide Gratings aufgebaut. Diese optischen Systeme bestehen in ih­ rem Kern aus einem Lichtwellenleiter-Array, dessen einzelne Lichtwellenleiter jeweils einen optischen Pfad bilden, wobei die optische Weglänge jeweils be­ nachbarter Pfade zunimmt bzw. abnimmt. Hierdurch ergibt sich ein Verhalten, das dem Verhalten von üblichen Interferenzgittern in Maxima höherer Ordnung entspricht. Allerdings werden Verluste eines üblichen Gitters vermieden, die durch das Aufteilen der einfallenden optischen Leistung auf die verschiedenen Beugungsmaxima entstehen.

Bei der Herstellung eines elektro-optischen Transceivers bietet es sich an, die optischen Strukturen zur Bildung des Multiplexers bzw. Demultiplexers bzw. der beiden Phased Array Waveguide Gratings auf einem einzigen Substrat vorzuse­ hen. Hierdurch wird der Montageaufwand für den Transceiver reduziert. Des Weiteren ergibt sich eine geringere Baugröße als bei der Verwendung zweier getrennter Substrate mit jeweils einem einzigen (De-)Multiplexer bzw. einem einzigen Phased Array Waveguide Grating.

Bei der Herstellung von mittels Phased Array Waveguide Grating ausgebildeter optischer (De-)Multiplexer ist es darüber hinaus bekannt, die Strukturen von zwei separaten (De-)Multiplexern bzw. Phased Array Waveguide Gratings in­ einander zu "verschlingen" und für beide (De-)Multiplexer bzw. Phased Array Waveguide Gratings dieselben Koppelbereiche zu benutzen, die jeweils die Ein­ gangs- bzw. Ausgangs-Lichtwellenleiter mit dem zentralen Lichtwellenleiter- Array verbinden. Derartige Strukturen werden bisher bei der Fertigung von AWG's deshalb eingesetzt, um den Ausschuss bei der technologisch aufwendigen und daher fehlerträchtigen Herstellung zu verringern. Nach der Herstellung eines derart verschränkten doppelten AWG's werden jeweils die optischen Eigenschaf­ ten beider Zweige vermessen und der jeweils bessere Zweig ausgewählt. Nach dem Packaging sind dann von außen lediglich die Ein- bzw. Ausgänge der je­ weils besseren Struktur zugänglich.

Es ist des Weiteren aus der DE 197 42 070 C2 eine Vorrichtung zum polarisati­ onsunabhängigen Trennen und Überlagern von Lichtsignalen bekannt, bei der zwei ineinander verschlungene AWG's dazu verwendet werden, um jeweils die transversal-elektrische bzw. die transversal-magnetische Komponente einer line­ ar polarisierten Welle zu führen (Fig. 7 der DE 197 42 070 C2). In den Freistahl­ bereichen ist jeweils ein Polarisationsfilter in der Symmetrieachse der Anord­ nung vorgesehen. Spezielle Verwendungen oder Herstellungsverfahren für diese Vorrichtung werden jedoch nicht näher beschrieben.

Aus S. "Mino et al., Planar Lightwave Circuit Platform with Coplanar Wavegui­ de for Opto-Electronic Hybrid Integration", Journal of Lightwave Technology, 1995, Seiten 2320-2326 ist es bekannt, auf einem gemeinsamen Substrat sowohl planare Wellenleiter auszubilden als auch darauf elektronische oder opto- elektronische Bauelemente anzuordnen. Dies ermöglicht die baukleine Herstel­ lung beispielsweise eines Transceivers für Wellenlängenmultiplexanwendungen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines elektro-optischen Transceivers für ein Wellenlängenmultiplex-System zu schaffen, welcher eine möglichst geringe Baugröße aufweist und der verhältnismäßig einfach herstellbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein elektro-optischer Transcei­ ver für ein Wellenlängenmultiplex-System auf verhältnismäßig einfache Weise und raumsparend dadurch aufgebaut werden kann, dass die optischen Strukturen und die elektrischen bzw. opto-elektrischen Komponenten auf demselben Sub­ strat aufgebracht werden. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein Silicium­ substrat.

Durch die Verwendung einer an sich bekannten verschränkten Struktur zur Bil­ dung zweier ineinander "verschlungener" Phased Array Waveguide Gratings ergibt sich der Vorteil eines äußerst raumsparenden Aufbaus bereits auf der opti­ schen Seite. Es werden jedoch beide Zweige eines derart aufgebauten doppelten AWG benutzt.

Zur Herstellung eines derartigen Transceivers sieht die Erfindung vor, zunächst die rein optischen Strukturen für die beiden verschränkten AWG's auf dem Sub­ strat herzustellen. Anschließend können die optischen Eigenschaften der beiden AWG's vermessen und der hinsichtlich der Übersprech- oder Nebensprecheigen­ schaften bessere Zweig als Empfangszweig gewählt werden. Anschließend kön­ nen die elektrischen Strukturen dann so hergestellt werden, dass die elektrischen Strukturen für die Empfangseinheit dem zuvor gewählten besseren AWG zuge­ ordnet werden.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind zumindest die elektrischen An­ schlussleitungen für die Empfängereinheit und/oder die Sendeeinheit integriert auf demselben Substrat ausgebildet. Insbesondere durch die Verwendung eines Silicium-Substrats ergibt sich der Vorteil, dass sowohl optische als auch elektri­ sche Strukturen mit verhältnismäßig einfachen Verfahren auf dem Substrat er­ zeugt werden können.

Zusätzlich zu den elektrischen Anschlussleitungen können selbstverständlich auch passive oder aktive elektronische Bauelemente auf dem Substrat integriert ausgebildet sein.

Es ist des Weiteren möglich, ein oder mehrere separate Bauelemente der Sende­ einheit und/oder der Empfangseinheit auf dem Bauelement aufzubringen, bei­ spielsweise aufzukleben oder zu verlöten, und ggf. Anschlüsse der separaten Bauelemente mit weiteren Verfahren, beispielsweise durch Bonden, mit den Anschlussleitungen zu verbinden.

Sind Resonatorstrukturen als externe Resonatoren für die optischen Sendeele­ mente erforderlich, so können diese nach dem Vermessen der optischen Struktu­ ren (vor oder nach dem Herstellen der elektrischen Strukturen) hergestellt wer­ den.

Die Herstellung kann jedoch auch so erfolgen, dass in jedem Fall in beiden Zweigen der optischen Struktur, d. h. in beiden AWG's, Resonatorstrukturen in den jeweiligen mehreren Eingangs- bzw. Ausgangs-Lichtwellenleitern hergestellt werden.

Da die Herstellung der optischen Strukturen eines AWG bzw. der beiden ver­ schränkt ausgebildeten AWG's, wie vorstehend ausgeführt, die Gefahr birgt, dass die optischen Eigenschaften nicht innerhalb der geforderten engen Toleranzen liegen, ist nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, insbesondere in den mehreren Ausgangs-Lichtwellenleitern des optischen Empfangszweigs bzw. des betreffenden AWG's, jeweils eine optische Resonatorstruktur ausgebildet. Diese dient als schmalbandiger Bandpassfilter, um die Übersprechdämpfung des jeweiligen Kanals zu verbessern.

Das Vorsehen entsprechender optischer Resonatorstrukturen in den mehreren Eingangs-Lichtwellenleitern des den optischen Teil des Sendezweigs bildenden AWG bietet weniger einen Vorteil im Hinblick auf die Nebensprechdämpfung der einzelnen optischen Kanäle, da die Bandbreite der üblicherweise verwende­ ten Laserdioden meist deutlich kleiner ist als die Bandbreite des jeweiligen opti­ schen Kanals. Im Sendezweig vorgesehene optische Resonatorstrukturen können jedoch zur externen Rückkopplung für Laserdioden dienen, deren Sendespektrum ohne die externe Rückkopplung für ein Wellenlängenmultiplex-System zu breit­ bandig wäre. Auf diese Weise ist es möglich, verhältnismäßig kostengünstige Laserdioden einzusetzen.

Das Herstellen der Resonatorstrukturen in den mehreren Eingangs- bzw. Aus­ gangs-Lichtwellenleitern erfolgt vorzugsweise durch das Bestrahlen der jeweili­ gen Lichtwellenleiter mit elektromagnetischen Wellen (z. B. durch UV-Laser) oder durch Teilchenstrahlung. Selbstverständlich müssen hierzu die jeweiligen Lichtwellenleiter aus einem Material bestehen oder mit einem Material dotiert sein, das unter einer derartigen Bestrahlung eine Veränderung des Brechungsin­ dex ermöglicht.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert:

Die einzige Figur zeigt schematisch einen elektro-optischen Transceiver 1, des­ sen sämtliche Komponenten auf einem gemeinsamen Substrat 3 angeordnet sind. Das Substrat 3 besteht vorzugsweise aus Silicium, da dieses Material die inte­ grierte Herstellung sowohl optischer als auch elektrischer Komponenten und Bauelemente ermöglicht.

Der Transceiver 1 umfasst optische Strukturen in Form zweier ineinander ver­ schränkter AWG's 5 und 7. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das AWG 5 aus einem Eingangs-Lichtwellenleiter 9, der in einen ersten optischen Koppelbereich 11 mündet. Der Eingangs-Lichtwellenleiter 9 kann an der Schnitt­ stelle 9a mit einem externen Lichtwellenleiter 13 verbunden werden, der dem Transceiver 1 ein optisches Wellenlängenmultiplex-Signal der Mittenwellenlän­ gen λ₁ bis λ_n zuführt. Mittels des Koppelbereichs 11 wird das durch das Wellen­ längenmultiplex-Signal erzeugte Feld in das zentrale Lichtwellenleiter-Array des AWG 5 angekoppelt. Die optischen Phasenunterschiede der einzelnen Lichtwellenleiter des Lichtwellenleiter-Array 15 und ein zweiter Koppelbereich 17, in welchen die einzelnen Lichtwellenleiter des Array 15 münden, sind so dimensio­ niert, dass das optische Signal aufgespalten und die einzelnen Teilsignale der Mittenwellenlängen λ₁ bis λ_n jeweils in einen von n Ausgangs-Lichtwellenleitern 19 eingekoppelt werden.

Die Enden der Ausgangs-Lichtwellenleiter 19 münden jeweils vor einem opto- elektrischen Wandlerelement einer opto-elektrischen Wandlereinheit 21. Die Wandlerelemente könnnen beispielsweise als einzelne Dioden ausgebildet sein, die in Form einer die Wandlereinheit 21 bildenden Diodenzeile zusammengefasst sind.

Auf dem Substrat 3 sind weiterhin elektrische Anschlussleitungen 23 ausgebil­ det, die mit üblichen Verfahren zur Herstellung integrierter Bauelemente herge­ stellt werden können. Die elektrischen Anschlussleitungen 23 verbinden entspre­ chende Anschlusskontakte der opto-elektrischen Wandlereinheit 21 mit den An­ schlusskontakten weiterer integrierter Bauelemente 25 oder mit den Anschluss­ kontakten von passiven Bauelementen 27, die beispielsweise als Widerstände ausgebildet sein können. Die opto-elektrische Wandlereinheit 21, die elektri­ schen Anschlussleitungen 23 und die integrierten Bauelemente 25 bzw. die pas­ siven Bauelemente 27 bilden zusammen eine Empfängereinheit 29, welche die optischen Signale in elektrische Signale wandelt und ggf. weiter verarbeitet.

Das zweite AWG 7 umfaßt n Eingangs-Lichtwellenleiter 31, die mit dem zweiten Koppelbereich 17 verbunden sind. In die Enden der Eingangs-Lichtwellenleiter 31 wird jeweils das Signal eines elektro-optischen Wandlerelements einer elek­ trooptischen Wandlereinheit 33 angekoppelt. Diese kann beispielsweise als Array von n Laserdioden mit Mittenwellenlängen Λ₁ bis Λ_n ausgebildet sein. Die optischen Signale der elektro-optischen Wandlerelemente werden über die Ein­ gangs-Lichtwellenleiter 31 und den zweiten Koppelbereich 17, der mit den ande­ ren Enden der Eingangs-Lichtwellenleiter 31 verbunden ist, so in die einzelnen Lichtwellenleiter des zentralen Lichtwellenleiter-Array 35 des AWG 7 angekop­ pelt, dass durch die entsprechend gewählten, unterschiedlich langen optischen Pfade des Array 35 im ersten Koppelbereich 11 ein Feld entsteht, welches sämt­ liche Teilsignale der Mittenwellenlängen Λ₁ bis Λ_n in einen Ausgangs- Lichtwellenleiter 37 des AWG 7 einkoppelt. Das Ende des Ausgangs- Lichtwellenleiters 37 kann wiederum an einer Schnittstelle 37a mit einem exter­ nen Lichtwellenleiter 39 gekoppelt werden.

Die elektro-optische Wandlereinheit 33 bildet wiederum zusammen mit weiteren integrierten oder passiven Bauelementen 25 bzw. 27 eine Sendeeinheit 41. Diese kann auf dieselbe Weise hergestellt werden, wie dies zuvor im Zusammenhang mit der Empfängereinheit 29 beschrieben wurde.

Der in der Figur dargestellte elektro-optische Transceiver 1 weist infolge des Einsatzes der beiden verschränkten AWG's und der Ausbildung der optischen und elektrischen Strukturen auf demselben Substrat eine äußerst geringe Bauform auf und ist mit relativ einfachen Mitteln herstellbar.

Die Herstellung kann in der Weise erfolgen, dass zunächst die optischen Struktu­ ren in Form der beiden AWG's 5, 7 hergestellt werden. Anschließend können die optischen Eigenschaften der beiden AWG's vermessen werden, bevor die elektri­ schen Strukturen hergestellt werden. Auf diese Weise kann derjenige Zweig bzw. dasjenige AWG dem späteren Empfangszweig zugeordnet werden, der die besse­ ren optischen Eigenschaften hinsichtlich Kanaltrennung und Nebensprechen bzw. Übersprechen aufweist. Erforderlichenfalls können vor oder nach dem Erstellen der elektrischen Strukturen und dem Aufbringen separater elektrischer Komponenten in den Enden der mehreren Eingangs-Lichtwellenleiter 31 opti­ sche Resonatorstrukturen 43 erzeugt werden. Diese können als externe Resonato­ ren für verhältnismäßig kostengünstige Laserdioden verwendet werden. Das Herstellen der Resonatorstrukturen kann durch "Einschreiben" entsprechender Strukturen in die bereits hergestellten Eingangs-Lichtwellenleiter 31 mittels elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise einem UV-Laser, oder durch Teil­ chenstrahlung erfolgen.

Es ist des Weiteren möglich, sowohl in den Eingangs-Lichtwellenleitern 31 des AWG's 7 als auch in den Ausgangs-Lichtwellenleitern 19 des AWG's 5 von vornher­ ein optische Resonatorstrukturen vorzusehen. Insbesondere mit dem in der nicht vorveröffentlichten älteren deutschen Patentanmeldung DE 100 47 681 A1 beschriebenen Verfah­ ren ist das Herstellen von optischen Resonatorstrukturen in den betreffenden Lichtwellenleitern auf einfache Weise möglich, wobei die Resonatorstrukturen jeweils eine geringfügig unterschiedliche Mittenfrequenz aufweisen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektro-optischen Transceivers für ein Wellenlän­ genmultiplex-System mit einem auf einem Substrat 3 angeordneten ersten Licht­ wellenleiter-Array 15, welches als Phased Array Waveguide Grating ausgebildet ist, dessen einer Endbereich über einen ersten Koppelbereich 11 mit wenigstens einem Eingangs-Lichtwellenleiter 9 und dessen anderer Endbereich über einen zweiten Koppelereich 17 mit mehreren Ausgangs-Lichtwellenleitern 19 gekop­ pelt ist, mit einer auf dem Substrat 3 angeordneten Empfängereinheit 29, welche eine opto-elektrische Wandlereinheit 21 umfasst, wobei jeweils ein opto- elektrisches Wandlerelement der Wandlereinheit 21 einem der mehreren Ausgangs-Lichtwellenleiter 19 zugeordnet ist, mit einem auf dem Substrat 3 ange­ ordneten zweiten Lichtwellenleiter-Array 35, welches als Phased Array Wave­ guide Grating ausgebildet ist, dessen einer Endbereich über den ersten Koppelbe­ reich 11 mit wenigstens einem Ausgangs-Lichtwellenleiter 37 und dessen ande­ rer Endbereich über den zweiten Koppelbereich 17 mit mehreren Eingangs- Lichtwellenleitern 31 gekoppelt ist, mit einer auf dem Substrat 3 angeordneten Sendeeinheit 41, welche eine elektro-optische Wandlereinheit 33 umfasst, wobei jeweils ein elektro-optisches Wandlerelement der Wandlereinheit 33 einem der mehreren Eingangslichtwellenleiter 31 zugeordnet ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektro-optischen Transceivers für ein Wellenlängenmultiplex-System

• a) bei dem auf einem Substrat (3) ein erstes Lichtwellenleiter-Array (15) hergestellt wird, welches als Phased Array Waveguide Grating ausgebildet ist, dessen einer Endbereich über einen ersten Koppelbereich (11) mit wenigstens einem Eingangs-Lichtwellenleiter (9) und dessen anderer Endbereich über einen zweiten Koppelbereich (17) mit mehreren Ausgangs-Lichtwellenleitern (19) gekoppelt ist,
• b) bei dem auf dem Substrat (3) eine Empfängereinheit (29) hergestellt oder auf diesem angeordnet wird, welche eine opto-elektrische Wandlereinheit (21) umfasst, wobei jeweils ein opto-elektrisches Wandlerelement der Wandlereinheit (21) einem der mehreren Ausgangs-Lichtwellenleiter (19) zugeordnet ist,
• c) bei dem auf dem Substrat (3) ein zweites Lichtwellenleiter-Array (35) hergestellt wird, welches als Phased Array Waveguide Grating ausgebildet ist, dessen einer Endbereich über den ersten Koppelbereich (11) mit wenigstens einem Ausgangs-Lichtwellenleiter (37) und dessen anderer Endbereich über den zweiten Koppelbereich (17) mit mehreren Eingangs-Lichtwellenleitern (31) gekoppelt ist, und
• d) bei dem auf dem Substrat (3) eine Sendeeinheit (41) hergestellt oder auf diesem angeordnet wird, welche eine elektro-optische Wandlereinheit (33) umfasst, wobei jeweils ein elektro-optisches Wandlerelement der Wandlereinheit (33) einem der mehreren Eingangslichtwellenleiter (31) zugeordnet ist,
• e) wobei zunächst die Lichtwellenleiter-Arrays (15, 35), die Koppelbereiche (11, 17) und die mehreren Eingangs- (31) und Ausgangs- (19) Lichtwellenleiter sowie der wenigstens eine Eingangs- (9) und Ausgangs- (37) Lichtwellenleiter auf dem Substrat (3) hergestellt werden,
• f) wobei anschließend die optischen Übersprech­ eigenschaften der beiden hierdurch gebildeten optischen Zweige gemessen werden und
• g) wobei derjenige Zweig, der bessere Übersprech­ eigenschaften aufweist, als Empfangszweig gewählt wird, und hierzu anschließend die elektrischen Anschlussleitungen (23) für die Empfangseinheit (29) dem ausgewählten Zweig und/oder die elektrischen Auschlussleitungen (23) für die Sendeeinheit (41) dem nicht ausgewählten Zweig zugeordnet und hergestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (15) und zweite (35) Phased Array Waveguide Grating, die Koppelbereiche (11), (17), die mehreren Eingangs- (31) und Ausgangs- (19) Lichtwellenleiter und der wenigstens eine Eingangs- (9) und der wenigstens eine Ausgangs- Lichtwellenleiter (37) in integrierter Optik auf dem Substrat (3) angeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlussleitungen (23) für die Empfängereinheit (29) und/oder die Sendeeinheit (41) integriert auf dem Substrat (3) ausgebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (41) und/oder die Empfängereinheit (29) als ein oder mehrere separate Bauelemente (25, 27) auf dem Substrat (3) aufgebracht werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den mehreren Ausgangs-Lichtwellenleitern (19) und/oder den mehreren Eingangs-Lichtwellenleitern (31) jeweils eine optische Resonatorstruktur (43) ausgebildet wird oder jeder der Ausgangs- (19) und/oder Eingangs-(31)Lichtwellenleiter mit jeweils einer optischen Resonatorstruktur (43) verbunden wird, wobei jede der Resonatorstrukuren (43) als schmalbandiger Bandpassfilter ausgebildet wird, dessen Mittenfrequenz auf die Mittenfrequenz eines Kanals des Wellenlängenmultiplex-Systems abgestimmt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorstrukturen (43) durch Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen oder durch Teilchenstrahlen in die zuvor hergestellten Ausgangs- (19) oder Eingangs-(31)Lichtwellenleiter eingeschrieben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Resonatorstrukturen (43) in den mehreren Eingangs-(31) Lichtwellenleitern als Resonatoren für die externe Rückkopplung der als Laserdioden ausgebildeten elektro-optischen Wandlerelemente ausgebildet und verwendet werden.