DE10123137C1 - Integrated optical field width transformer for adiabatic monomode field matching uses integrated optical waveguide with opposing vertical and lateral tapers - Google Patents
Integrated optical field width transformer for adiabatic monomode field matching uses integrated optical waveguide with opposing vertical and lateral tapersInfo
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Abstract
In der integrierten Optik werden Querschnittsänderungen bei der Verbindung von Wellenleitern mittels Feldweitentransformatoren durch eine adiabatische Feldanpassung angeglichen. Photonische Kristalle stellen künstliche Gitter dar, deren periodische Strukturen an die Wellenlänge der Lichtwelle angepasst sind. Durch Unterbrechung der periodischen Strukturen werden integrierte Defektwellenleiter erzeugt. Photonische Kristalle sind aufgrund ihrer geringen Abmessungen nur schwer handhabbar und auch nur aufwändig an andere optische Bauelemente ankoppelbar. Zur Kopplung des Defektwellenleiters (12) mit einem integriert-optischen Wellenleiter (3) weist der erfindungsgemäße Feldweitentransformator (1) deshalb in einem Taperbereich (13) sowohl eine vertikale Taperung (14) als auch eine gegenläufige laterale Taperung (15) des integriert-optischen Wellenleiters (3) auf. Dabei ist dessen Verhältnis von Höhe (H) zu Breite (B) unter Anwendung bekannter numerischer Verfahren so bemessen, dass Monomodigkeit im Wellenleiter (3) und optimale Feldüberlappungen gewährleistet sind. Der erfindungsgemäße Feldweitentransformator kann mit einem oder mehreren weiteren Feldtransformatoren gleichen oder verschiedenen Typs zu dualen oder multiplen Adaptern monolithisch integriert werden, sodass eine optimale und vielseitige Kopplung photonischer Kristalle an unterschiedliche optische Bauelemente möglich ist.In the integrated optics, cross-sectional changes in the connection of waveguides by means of field width transformers are adjusted by an adiabatic field adaptation. Photonic crystals represent artificial gratings, the periodic structures of which are adapted to the wavelength of the light wave. Integrated defect waveguides are generated by interrupting the periodic structures. Due to their small dimensions, photonic crystals are difficult to handle and can only be connected to other optical components with great difficulty. To couple the defect waveguide (12) to an integrated optical waveguide (3), the field width transformer (1) according to the invention therefore has both a vertical tapering (14) and an opposing lateral tapering (15) of the integrated optical one in a taper area (13) Waveguide (3). The ratio of height (H) to width (B) is dimensioned using known numerical methods in such a way that monomode in the waveguide (3) and optimal field overlaps are guaranteed. The field width transformer according to the invention can be monolithically integrated with one or more further field transformers of the same or different types to form dual or multiple adapters, so that an optimal and versatile coupling of photonic crystals to different optical components is possible.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen integriert-optischen Feldweiten transformator zur adiabatischen, monomodigen Feldanpassung zwischen einer optischen Komponente und einem einer planaren Wellenleiterschaltung zugehörigen integriert-optischen Wellenleiter, der in einem Taperbereich eine kontinuierliche, bis zumindest auf eine zwischen Wellenleiterschicht und Leitschicht angeordnete Pufferschicht verlaufende vertikale Taperung der Wellenleiterhöhe aufweist.The invention relates to an integrated optical field width transformer for adiabatic, monomodal field adaptation between a optical component and a planar waveguide circuit associated integrated-optical waveguide, which in a taper area continuous, except for at least one between the waveguide layer and Buffer layer arranged vertical layer tapering of the conductive layer Has waveguide height.
In der integrierten Optik treten bei der Verbindung von Wellenleitern Quer schnittsänderungen auf. Die sich ausbreitenden Lichtwellen müssen entweder einer aufweitenden oder konzentrierenden Feldweitenänderung unterzogen werden, um abrupte Übergänge mit einer schlechten Koppeleffizienz als Maß für Koppelverluste zu vermeiden. Ziel ist eine adiabatische Feldanpassung, bei der die geführte Lichtleistung in einer Mode erhalten bleibt.In the integrated optics, the connection of waveguides cross over cut changes on. The propagating light waves must either undergo a widening or concentrating field width change to abrupt transitions with poor coupling efficiency as a measure to avoid coupling losses. The goal is an adiabatic field adaptation, at which maintains the guided light output in one mode.
Photonische Kristalle stellen künstliche zweidimensionale Gitter dar, deren periodische Strukturen an die Wellenlänge der Lichtwelle angepasst sind. Durch eine Ausbildung von periodischen Lochanordnungen (oder auch Säulenanordnungen) im lichtführenden Halbleitermaterial bis hinein in die darunter liegende Pufferschicht können unterschiedliche resultierende Brechungsindizes erzeugt werden. So können Bandlücken hervor gerufen werden, in deren Energiezuständen bzw. Frequenzen sich die Lichtwelle nicht ausbreiten kann ("verbotene Zone"). Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, durch örtliche Veränderung des Brechungsindex in einem photonischen Kristall einen Wellenleiter als "erlaubtes Gebiet" mit für die Lichtwellen möglichen Energiezuständen bzw. Frequenzen zu erzeugen, in dem das Licht auch bei scharfen Richtungsänderungen sicher geführt wird. Während bei herkömm lichen Lichtwellenleitern hier aufgrund der Brechungsgesetze Transmissionen auftreten können, kann die Lichtwelle im Defektwellenleiter diesen aufgrund ihres Energiezustandes nicht verlassen. Eine Möglichkeit der Erzeugung ist das Vorsehen von Bereichen ohne Tiefenätzung, sodass in diesem Bereich das "Ausbreitungsverbot" für die Wellen aufgehoben wird. In diesem Falle spricht man von einem "Defektwellenleiter". Derartige Defektwellenleiter auf der Basis von photonischen Kristallen zeichnen sich durch eine starke optische Einschnürung aus. Durch diese Eigenschaft können extrem kleine optische Bauelemente mit Flächen von einigen 10 µm2 realisiert werden. Diese kleinen Bauelemente, bei denen der Durchmesser des Defektwellenleiters in einem Bereich von 1 µm liegt, lassen sich allerdings praktisch nicht als Einzelbauele mente nutzen. Außerdem ist das Problem der optischen Kopplung an weitere optische Komponenten, das bei einem Felddurchmesser einer optischen Glasfaser im Bereich von 12 µm sehr groß ist, bislang nicht gelöst. Zu beiden Problemen gibt es im Stand der Technik erste Lösungsansätze.Photonic crystals represent artificial two-dimensional gratings whose periodic structures are adapted to the wavelength of the light wave. By forming periodic hole arrangements (or also column arrangements) in the light-guiding semiconductor material right into the underlying buffer layer, different resulting refractive indices can be generated. In this way, band gaps can be created in whose energy states or frequencies the light wave cannot propagate ("forbidden zone"). This gives the possibility, by locally changing the refractive index in a photonic crystal, to produce a waveguide as an "allowed area" with possible energy states or frequencies for the light waves, in which the light is guided reliably even with sharp changes in direction. While transmissions can occur in conventional light waveguides due to the laws of refraction, the light wave in the defect waveguide cannot leave it due to its energy state. One possibility for the generation is the provision of areas without deep etching, so that the "spreading ban" for the waves is lifted in this area. In this case one speaks of a "defect waveguide". Such defect waveguides based on photonic crystals are characterized by a strong optical constriction. This property enables extremely small optical components with areas of a few 10 µm 2 to be realized. These small components, in which the diameter of the defect waveguide is in a range of 1 µm, can practically not be used as individual components. In addition, the problem of optical coupling to other optical components, which is very large with a field diameter of an optical glass fiber in the region of 12 μm, has not yet been solved. There are first approaches to both problems in the prior art.
Neben der allgemein bekannten Möglichkeit, photonische Kristalle mit einer Kantenlänge von unter 100 µm in ein Trägermaterial einzugießen und durch Schleifen und Polieren bis auf die Stirnflächen freizulegen, ist es aus dem Aufsatz [I] "Low-loss channel waveguides with two-dimensional photonic crystal boundaries" (C. J. Smith et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 77, No. 18, Oct. 2000, pp. 2813-2815) bekannt, über einen Schichtwellenleiter ohne laterale Feldführung zu koppeln. In beiden Fällen werden jedoch nur einige Prozent Koppeleffizienz erreicht, die für praktische Anwendungen unakzeptabel sind.In addition to the generally known possibility of using photonic crystals Pour edge length of less than 100 µm into a substrate and through To expose grinding and polishing to the end faces, it is from the Essay [I] "Low-loss channel waveguides with two-dimensional photonic crystal boundaries "(C.J. Smith et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 77, No. 18, Oct. 2000, pp. 2813-2815), via a layered waveguide without lateral To couple field guidance. In both cases, however, only a few percent Coupling efficiency achieved, which are unacceptable for practical applications.
Zur Ankopplung des photonischen Kristalls an seine Umwelt unter Verwendung des Prinzips der einfachen Transformation des optischen Feldes sind mehrere Ansätze veröffentlicht. Aus dem Aufsatz [II] "Coupled-resonator optical waveguide: a proposal and analysis" (A. Yariv et al., Opt. Lett., Vol. 24, No. 11, June 1999, pp. 711-713) und dem Aufsatz [III] "Propagation and second harmonic generation of electromagnetic waves in a coupled-resonator optical waveguide" (Y. Xu et al., J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 17, No. 3, March 2000, pp. 387-400) ist es bekannt, die Gitterabstände des photonischen Kristalls zu ändern. Die Integration eines Feldweitentransformators direkt in das Material des photonischen Kristalls, dessen Herstellung einen sehr zeitaufwändigen Lithographie-Schreibprozess und eine hochgenaue Strukturierung im Nanobe reich erfordert, ist jedoch unter wirtschaftlichen Aspekten nicht zufrieden stellend. Zur adiabatischen Transformation des Feldes durch laterale Änderung der Translations-Symmetrie wird in dem Aufsatz [IV] "Adiabatic coupling between conventional dielectric waveguides and waveguides with discrete translational symmetry" (Y. Xu et al., Opt. Lett. 25, Vol. 25, No. 10, May 2000, pp. 755-757) eine Ein-/Auskopplung über einen Schichtwellenleiter außerhalb des photonischen Kristalls, der in Form von einzelnen Säulen ausgebildet ist, beschrieben. Dieser Typ eines photonischen Kristalls ist jedoch aus Stabilitätsgründen weniger interessant als ein photonischer Kristall, der auf der Ausbildung von Löchern beruht. Die für die beschriebene Ankopplung erforderlichen Wellenleiter müssen darüber hinaus so dünn sein, dass die laterale Ausbildung einer Spitze nur sehr schwer herstellbar ist. Ein photonischer Kristall mit Säulenausbildung ist ebenfalls aus dem Aufsatz [V] "Photonic crystal waveguides: Out-of-plane losses and adiabatic modal conversion" (M. Palamaru et al., Appl. Phys. Lett. 78, Vol. 78, No. 11, March 2001, pp. 1466-1468) bekannt. Der Wellenleiter wird durch Wegfall mehrerer Säulenreihen erzeugt. Er ist zusätzlich mit Löchern versehen, um seinen Brechungsindex zu ändern. Die Lichtwelle strebt immer in Gebiete mit höherem Brechungsindex. Es wird eine adiabatische Transformation des Feldes durch Verkleinerung des Lochdurchmessers des Defekt-Wellenleiters an dessen Ende in einem Taperbereich beschrieben. In der Richtung der Verkleinerung werden im Taperbereich auch die Säulen verkleinert, um den Ein-/Auskopplungseffekt zu unterstützen. Löcher und Säulen zeigen im Taperbereich eine abnehmende Tiefe. Auch hier gilt, dass die Integration des Feldweitentransformators in das Material des photonischen Kristalls unter wirtschaftlichen Aspekten bedenklich ist. Außerdem ist eine definierte, hochgenaue Modifikation der Ätztiefe in den extrem kleinen Strukturen technologisch sehr schwer realisierbar. Darüber hinaus ist der Taperbereich äußerst empfindlich gegenüber mechanischen Störeinwirkungen.Several approaches have been published for coupling the photonic crystal to its environment using the principle of simple transformation of the optical field. From article [II] "Coupled-resonator optical waveguide: a proposal and analysis" (A. Yariv et al., Opt. Lett., Vol. 24, No. 11, June 1999 , pp. 711-713) and the Article [III] "Propagation and second harmonic generation of electromagnetic waves in a coupled-resonator optical waveguide" (Y. Xu et al., J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 17, No. 3, March 2000 , pp. 387-400) it is known to change the lattice spacing of the photonic crystal. However, the integration of a field transformer directly into the material of the photonic crystal, the production of which requires a very time-consuming lithography writing process and highly precise structuring in the nano range, is unsatisfactory from an economic point of view. For the adiabatic transformation of the field by changing the translational symmetry laterally, the article [IV] "Adiabatic coupling between conventional dielectric waveguides and waveguides with discrete translational symmetry" (Y. Xu et al., Opt. Lett. 25, Vol. 25 , No. 10, May 2000 , pp. 755-757) describes a coupling / decoupling via a layer waveguide outside the photonic crystal, which is designed in the form of individual columns. For reasons of stability, however, this type of photonic crystal is less interesting than a photonic crystal which is based on the formation of holes. The waveguides required for the coupling described must also be so thin that the lateral formation of a tip is very difficult to manufacture. A photonic crystal with column formation is also from the article [V] "Photonic crystal waveguides: Out-of-plane losses and adiabatic modal conversion" (M. Palamaru et al., Appl. Phys. Lett. 78, Vol. 78, No 11, March 2001 , pp. 1466-1468). The waveguide is created by eliminating several rows of columns. It also has holes to change its refractive index. The light wave always strives in areas with a higher refractive index. An adiabatic transformation of the field by reducing the hole diameter of the defect waveguide at its end in a taper area is described. In the direction of the reduction, the columns in the taper area are also reduced in order to support the coupling-in / coupling-out effect. Holes and columns show a decreasing depth in the taper area. Here too, the integration of the field transformer into the material of the photonic crystal is questionable from an economic point of view. In addition, a defined, highly precise modification of the etching depth in the extremely small structures is technologically very difficult to achieve. In addition, the taper area is extremely sensitive to mechanical interference.
Die Integration eines Feldweitentransformators in den photonischen Kristall ist also einerseits herstellungstechnisch ungünstig, andererseits erlaubt sie keine bessere Handhabbarkeit des photonischen Kristalls, der durch die integrierte Taperung sehr zerstörungsempfindlich ist. Wesentlich einfacher in der Herstellung und unempfindlicher in der Handhabung sind Feldweitentrans formatoren, die als eigenes optisches Bauelement in eine planare Wellenleiterschaltung monolithisch integriert sind. Die integrierte Kombination hat dann eine gut handhabbare Größe und ist weitgehend unempfindlich gegen mechanische Störeinwirkungen. Eine solche integrierte Kombination ist beispielsweise aus dem Paper [VI] "Monolithic Integration of Lasers, Photodiodes, Waveguides and Spot Size Converters on GaInAsP/InP for Photonic IC Applications" (M. Hamacher et al., IRPM2000, May 2000, USA, paper MAI. 3, p21.24). Bei dem hier beschriebenen "Spotgrößenkonverter" handelt es sich um einen polarisationsunabhängigen Feldweitentransformator in der Ausbildung als Rippenwellenleiter als Schnittstelle zwischen der planaren Wellenleiterschaltung ("optischer Chip") und einer Glasfaser. Dazu weist der Rippenwellenleiter eine laterale Taperung auf, die von dem integriert- optischen Wellenleiter auf dem Chip zur Glasfaser hin verläuft. Dadurch wird die Feldführung in der Wellenleiterschicht kontinuierlich erniedrigt, sodass die geführte Lichtwelle nach unten in Richtung auf das Substrat abdriftet. Ein seitliches Auseinanderdriften der Welle wird durch eine konstante Fokussie rungsrippe ("äußere Rippe") abgefangen.The integration of a field transformer in the photonic crystal is therefore on the one hand disadvantageous in terms of production technology, on the other hand it does not allow better handling of the photonic crystal, which is very sensitive to destruction due to the integrated tapering. Field width transformers, which are monolithically integrated as a separate optical component in a planar waveguide circuit, are much easier to manufacture and less sensitive to use. The integrated combination then has a size that is easy to handle and is largely insensitive to mechanical interference. Such an integrated combination is, for example, from the paper [VI] "Monolithic Integration of Lasers, Photodiodes, Waveguides and Spot Size Converters on GaInAsP / InP for Photonic IC Applications" (M. Hamacher et al., IRPM2000, May 2000 , USA, paper MAY 3, p21.24). The “spot size converter” described here is a polarization-independent field width transformer designed as a rib waveguide as an interface between the planar waveguide circuit (“optical chip”) and a glass fiber. For this purpose, the rib waveguide has a lateral taper, which runs from the integrated optical waveguide on the chip to the glass fiber. As a result, the field guidance in the waveguide layer is continuously reduced, so that the guided light wave drifts downward in the direction of the substrate. Lateral drifting apart of the shaft is intercepted by a constant focusing rib ("outer rib").
Der Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird in der EP 0890121 offenbart. Es wird ein optischer Feldweitentransformator zur adiabatischen, monomodigen Feldanpassung beschrieben, der für eine Ankopplung einer Glasfaser als optischer Komponente an einen integriert- optischen Wellenleiter einer planaren Wellenleiterschaltung in Form einer photonischen integrierten Schaltung ausgebildet ist. Der Feldweitentransformator, der als eigenständiges Bauelement mit der Schaltung mono lithisch integriert ist, weist einen Rippenwellenleiter auf, der in einem Taperbereich mit einer vertikale Taperung der Rippenhöhe versehen ist. Diese kann mit sich ändernder Neigung ausgeführt sein und verläuft bis auf die unterhab der Wellenleiterschicht liegende Pufferschicht. Diese ist im Taperbereich konstant verschmälert und bildet eine konstante Fokussierungs rippe für die zu führende Lichtwelle. Auch bei der vertikalen Taperung wird die Feldführung im Rippenbereich kontinuierlich erniedrigt und die Lichtwelle nach unten abgedrängt und von der Fokussierungsrippe seitlich abgefangen. Dabei wird auch das Ausbreitungsbild des optischen Feldes angepasst, sodass der bekannte Feldweitentransformator polarisationsunabhängig ist. Die mit dem bekannten Feldweitentransformator zu koppelnden Komponenten weisen ein solches Größenverhältnis auf, dass durch eine einfache Taperung eine adiabatische, monomodige Feldanpassung herbeigeführt werden kann. Zur Kopplung mit einer anderen optischen Komponente mit gegenüber den herkömmlichen Komponenten erheblich verringerten Abmessungen ist der bekannte Feldweitentransformator jedoch nicht geeignet.The state of the art on which the present invention is based is described in US Pat EP 0890121 discloses. It becomes an optical field transformer adiabatic, monomodal field adaptation described for a Coupling an optical fiber as an optical component to an integrated optical waveguide of a planar waveguide circuit in the form of a is formed photonic integrated circuit. The field transformer, the as an independent component with the circuit mono is integrated lithically, has a ribbed waveguide, which in one Taper area is provided with a vertical tapering of the rib height. This can be executed with changing inclination and runs down to the Buffer layer underneath the waveguide layer. This is in Taper area constantly narrowed and forms a constant focus rib for the light wave to be guided. The vertical taper is also used Field guidance in the rib area continuously decreased and the light wave after pushed below and intercepted laterally by the focusing rib. there the propagation image of the optical field is also adjusted so that the known field width transformer is polarization independent. The one with the known field width transformer components to be coupled such a size ratio that a simple tapering adiabatic, monomodal field adaptation can be brought about. to Coupling with another optical component compared to the conventional components significantly reduced dimensions known field transformer, however, is not suitable.
Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist es daher, einen Feldweiten transformator der eingangs beschriebenen gattungsgemäßen Art so auszu bilden, dass er zur Feldanpassung zwischen einem integriert-optischen Wellenleiter und einer optischen Komponente geeignet ist, deren Abmessun gen erheblich geringer als die des integriert-optischen Wellenleiters sind. Dabei sollen die guten Gebrauchseigenschaften des bekannten Feldweitentrans formators für größere Komponentenabmessungen erhalten bleiben.The object of the present invention is therefore a field widths Transformer of the generic type described at the outset form that it is used for field matching between an integrated optical Waveguide and an optical component is suitable, the dimensions conditions are considerably lower than that of the integrated optical waveguide. there the good performance characteristics of the known field width trans formators for larger component dimensions are retained.
Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe für einen integriert- optischen Feldweitentransformator der zur adiabatischen, monomodigen Feld anpassung zwischen einer optischen Komponente und einem einer planaren Wellenleiterschaltung zugehörigen integriert-optischen Wellenleiter besteht deshalb darin, dass die optische Komponente ein photonischer Kristall mit zumindest einem in einer periodischen Lochanordnung erzeugten Defektwellenleiter ist, von dem sich die vertikale Taperung in Richtung auf den integriert-optischen Wellenleiter erstreckt, und dass der integriert optische Wellenleiter eine zur vertikalen Taperung der Wellenleiterhöhe kontinuierlich gegenläufige laterale Taperung der Wellenleiterbreite aufweist.The solution according to the invention for this task for an integrated optical field transformer for the adiabatic, monomode field Match between an optical component and a planar Waveguide circuit associated integrated-optical waveguide exists therefore in that the optical component has a photonic crystal at least one generated in a periodic hole arrangement Defective waveguide, from which the vertical taper towards the integrated optical waveguide extends, and that the integrated optical Waveguide one for vertical tapering of the waveguide height continuously has opposite lateral tapering of the waveguide width.
Der erfindungsgemäße Feldweitentransformator als bidirektionale optische Komponente ist mit dem photonischen Kristall monolithisch integriert. Dadurch ist sicher gestellt, dass durch Verbleiben des optischen Feldes in dem Material mit dem höheren Brechungsindex eine Divergenz des optischen Feldes mit hoher numerischer Apertur vermieden wird, wie sie an einfachen Stoß kopplungsstellen auftritt. Durch das hochbrechende Halbleitermaterial wird über eine starke Einschnürung die gute Feldweitenanpassung erreicht. Der Feldweitentransformator weist in seinem Taperbereich eine doppelte, gegen läufige Taperung auf. Ausgehend vom integriert-optischen Wellenleiter wird der lichtführende Wellenleiter im Feldweitentransformator in Richtung auf den Defektwellenleiter immer schmaler und zugleich immer höher. Dabei legen die Querschnittsabmessungen von dem integriert-optischen Wellenleiter auf der einen Seite und dem Defektwellenleiter auf der anderen Seite Anfangs- und Endquerschnitt des Wellenleiters im Feldweitentransformator in erster Näherung fest. Zwischen seinen beiden Enden erfolgt eine kontinuierliche Querschnittsüberführung zur adiabatischen Anpassung der beiden optischen Felder. Die Hauptkriterien für den Änderungsverlauf sind jedoch die Überein stimmung der Feldschwerpunkte und die Aufrechterhaltung der Monomodigkeit im Wellenleiter, um Abstrahlverluste bei der Feldanpassung zu vermeiden und um eine hohe Koppeleffizienz zu erreichen. Der Feldschwerpunkt bezeichnet den Mittelpunkt des Ausbreitungsfeldes, dessen Lage in der Wellenleiter schicht von deren Materialzusammensetzung abhängig ist. Erst, wenn die Feldschwerpunkte der zu koppelnden Ausbreitungsfelder zumindest vertikal übereinstimmen, kann eine möglichst große Feldüberlappung erreicht werden. Zur Ermittlung der Schwerpunkte und zur Berechnung der Eigenmoden einer Lichtwelle in Abhängigkeit von den Höhen- und Breitenabmessungen des Wellenleiters existieren eine Reihe von kommerziell erhältlichen, computer unterstützten Rechenvorschriften, die gut erprobt sind und einfach angewendet werden können.The field width transformer according to the invention as a bidirectional optical Component is monolithically integrated with the photonic crystal. Thereby ensures that the optical field remains in the material with the higher refractive index a divergence of the optical field with high numerical aperture is avoided, as in simple collision coupling points occurs. Due to the high refractive index semiconductor material The good field width adjustment is achieved through a strong constriction. The Field width transformer has a double counter in its taper area current tapering. Starting from the integrated optical waveguide the light-guiding waveguide in the field width transformer in the direction of the Defective waveguides are becoming ever narrower and at the same time always higher. Thereby put the Cross-sectional dimensions of the integrated optical waveguide on the one side and the defect waveguide on the other side initial and Final cross-section of the waveguide in the field width transformer in the first Approximation firm. There is a continuous between its two ends Cross-section transfer for adiabatic adaptation of the two optical Fields. However, the main criteria for the change history are the matches the focus of the field and the maintenance of single mode in the waveguide to avoid radiation losses when adapting the field and to achieve a high coupling efficiency. The field focus indicates the center of the propagation field, its location in the waveguide layer depends on the material composition. Only when the Field focus of the propagation fields to be coupled, at least vertically match, the greatest possible field overlap can be achieved. To determine the focal points and to calculate the eigenmodes of a Light wave depending on the height and width dimensions of the Waveguides exist in a number of commercially available computers supported calculation rules that are well tried and easily applied can be.
Mit dem erfindungsgemäßen Feldweitentransformator können bei einer guten Justage der beiden Wellenleiter im Herstellungsprozess zueinander effiziente Kopplungen durch adiabatische Feldanpassung in einer Mode mit Verlusten von unter -1 dB erreicht werden. Gegenüber den weiter oben erwähnten, auf dem Gebiet der photonischen Kristalle bekannten Lösungsansätzen für eine Kopplung ist hier also eine bedeutende Leistungssteigerung zu erkennen. Gegenüber den bekannten Lösungsansätzen für eine adiabatische Feldan passung weist der erfindungsgemäße Feldweitentransformator wesentliche bessere Gebrauchseigenschaften auf, da er über eine große mechanische Stabilität verfügt. Zudem ist er auch wesentlich einfacher herstellbar. Weiterhin werden durch die monolithische Integration des erfindungsgemäßen Feldweitentransformators mit dem photonischen Kristall Abmessungen in einem Bereich geschaffen, die überhaupt erst eine einfache Handhabung derartig kleiner optischer Komponenten ermöglichen.With the field width transformer according to the invention, a good Alignment of the two waveguides in the manufacturing process to each other efficiently Couplings through adiabatic field adaptation in a mode with losses of less than -1 dB can be achieved. Compared to the one mentioned above solution approaches for a known in the field of photonic crystals Coupling can be seen here as a significant increase in performance. Compared to the known approaches for an adiabatic field fit has the field width transformer according to the invention essential better use properties because it has a large mechanical Stability. It is also much easier to manufacture. Farther are due to the monolithic integration of the invention Field width transformer with the photonic crystal dimensions in created an area that is easy to use at all enable such small optical components.
Defekt-Wellenleiter in photonischen Kristallen sind sehr schmal (z. B. 0,7 µm) und relativ hoch (z. B. 1,2 µm). Wesentlich für die effiziente Feldanpassung bei dem erfindungsgemäßen Feldweitentransformator ist die gute Überein stimmung der beiden Feldschwerpunkte, das heißt eine gute Feldüberlappung. Diese kann aber bei den Defekt-Wellenleitern, die sich durch Tiefenätzung der Lochanordnung bis hinunter in die Pufferschicht erstrecken, in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung gegebenenfalls nicht allein durch Abtragen der Wellenleiterschicht im Taperbereich erreicht werden. Bei einer Fortführung des erfindungsgemäßen Feldweitentransformators ist deshalb vorgesehen, dass die vertikale Taperung der Wellenleiterhöhe bis in die Pufferschicht hineinreicht. Die gute Feldanpassung zum Defekt-Wellenleiter des photo nischen Kristalls wird dann über die starke Einschnürung im hochbrechenden Halbleitermaterial erzielt, indem die vertikale Taperung der lichtführenden Wellenleiterschicht durch dieses Material hindurch nach unten kontinuierlich bis in die niedrigbrechende optische Pufferschicht erfolgt.Defective waveguides in photonic crystals are very narrow (e.g. 0.7 µm) and relatively high (e.g. 1.2 µm). Essential for efficient field adjustment at the field width transformer according to the invention is in good agreement alignment of the two focal points, that is, a good field overlap. However, this can be the case with the defect waveguides, which are caused by deep etching of the Extend hole arrangement down into the buffer layer, depending of the material composition, if necessary, not only by abrasion the waveguide layer can be reached in the taper area. With a continuation The field width transformer according to the invention is therefore provided that the vertical tapering of the waveguide height up to the buffer layer extends. The good field adaptation to the defect waveguide of the photo African crystal is then over the strong constriction in the high refractive index Semiconductor material achieved by the vertical tapering of the light-guiding Waveguide layer continuously down through this material down to the low-index optical buffer layer.
Bei der Herstellung von optischen Bauelementen ist insbesondere auch auf deren Größenabmessungen zu achten, die bei der monolithischen Integration in Halbleitermaterialien auch aus Kostengründen möglichst gering, aber noch handhabbar sein sollen. Wenn gemäß einer nächsten Erfindungsausge staltung die vertikale und die laterale Taperung des integriert-optischen Wellenleiters mit sich ändernden Neigungen verlaufen, kann die Länge des Taperbereichs auf das unbedingt notwendige Mindestmaß reduziert werden. Auch wird eine Verbesserung bei der Verlagerung des senkrechten Ausbreitungsbildes erzielt. Dabei können die beiden Taperungen grundsätzlich mit unterschiedlichen Neigungen oder im Falle von linearen Taperungen mit unterschiedlichen Schrägungen verlaufen.In the manufacture of optical components, in particular, is also based on their size dimensions to be observed, those in the monolithic integration in semiconductor materials also as low as possible for cost reasons, but still should be manageable. If according to a next invention the vertical and lateral tapering of the integrated optical Waveguide with changing inclinations, the length of the Taper range can be reduced to the absolutely necessary minimum. There will also be an improvement in the shifting of the vertical Spreading image achieved. Basically, the two tapering can with different inclinations or in the case of linear tapering different slopes.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der gegenläufigen doppelten Taperung ("Verjüngung") der lichtführenden Wellenleiterschicht. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen vergrabenen Wellenleiter handeln, der seitlich isoliert ist und zu seiner Umgebung einen hohen Brechzahlkontrast aufweist. Gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass der integriert optische Wellenleiter ein Rippenwellenleiter ist, der die vertikale und laterale Taperung im Bereich seiner Rippe aufweist. Gegenüber der Horizontal strukturierung bei einem vergrabenen Wellenleiter sind Rippenwellenleiter mit einer Vertikalstrukturierung durch einfache Maskentechnik mit Tiefenätzung einfacher herzustellen. Die gegenläufige Taperung bei dem erfindungs gemäßen Feldweitentransformator kann dann herstellungstechnisch relativ einfach durch die entsprechende geometrische Ausbildung der Rippe des Rippenwellenleiters realisiert werden. The present invention is based on counter-double tapering ("Taper") of the light-guiding waveguide layer. It can be for example, a buried waveguide that insulates laterally and has a high refractive index contrast to its surroundings. According to Another embodiment of the invention can also provide that the Integrated optical waveguide is a ribbed waveguide that is vertical and has lateral tapering in the area of its rib. Opposite the horizontal The structure of a buried waveguide includes rib waveguides vertical structuring through simple mask technology with deep etching easier to manufacture. The opposite tapering in the fiction Appropriate field transformer can then be relative in terms of manufacturing technology simply by the appropriate geometric design of the rib of the Rib waveguide can be realized.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, wird ein photonischer Kristall erst durch die monolithische Integration mit dem erfindungsgemäßen Feldweitentransfor mator relativ einfach handhabbar. Auch werden unterschiedliche Anbindungen der photonischen Bauelementeinseln mit Justagetoleranzen im Submikro meterbereich an andere optische Komponenten möglich. Dafür ist es gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Feldweitentransformators nach der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn der integriert optische Wellenleiter mit zumindest einem weiteren integriert-optischen Wellenleiter eines weiteren Feldweitentransformators monolithisch integriert verbunden ist. Durch diese konstruktive Ausgestaltung wird ein optischer Adapter mit zwei oder mehr Schnittstellen geschaffen, die intern über den integriert-optischen Wellenleiter, bei dem es sich insbesondere um einen Rippenwellenleiter handeln kann, verbunden. Die erste Schnittstelle ist immer mit dem Defektwellenleiter des photonischen Kristalls verbunden, die anderen Schnittstelle in den weiteren Feldweitentransformatoren sind jedoch frei verfügbar. Diese können zur Ankopplung an verschiedene Komponenten unterschiedlich gestaltet sein. Insbesondere kann nach einer nächsten Erfindungsfortführung vorgesehen sein, dass der zumindest eine weitere Feldweitentransformator zur Feldanpassung an einen weiteren Defektwellenleiter in einem photonischen Kristall ausgebildet ist. Der weitere Feldweitentransformator hat dann einen zu dem ersten Feldweitentransformator identischen Aufbau. In der Ausgestaltung als multipler optischer Adapter können dann komplette Netzwerke zur optischen Vernetzung einer Vielzahl von optischen Kristallen in monolithisch integrierter Bauform auf einem gemeinsamen optischen Chip hergestellt werden.As already explained above, a photonic crystal is only through the monolithic integration with the field width transfer according to the invention mator relatively easy to use. There are also different connections of the photonic component islands with adjustment tolerances in the submicro range of meters to other optical components possible. For that it is in accordance a next embodiment of the field width transformer according to the Invention particularly advantageous if the integrated optical waveguide with at least one further integrated optical waveguide Field width transformer is connected monolithically integrated. Through this constructive design is an optical adapter with two or more Interfaces created internally via the integrated optical waveguide, which can be a ribbed waveguide in particular, connected. The first interface is always with the defect waveguide connected photonic crystal, the other interface in the further However, span transformers are freely available. These can be used Coupling to different components can be designed differently. In particular, it can be provided after the next invention is continued be that the at least one further field width transformer for Field adaptation to another defect waveguide in a photonic Crystal is formed. The further field width transformer then has one identical construction to the first field transformer. In the design complete networks can then be used as a multiple optical adapter optical networking of a variety of optical crystals in monolithic Integrated design manufactured on a common optical chip become.
Des Weiteren kann gemäß einer anderen Erfindungsausgestaltung auch vorgesehen sein, dass der zumindest eine weitere Feldweitentransformator zur Feldanpassung an eine monomodige optische Glasfaser ausgebildet ist. Damit ist eine Ankopplung der photonischen Bauelementinseln über eine oder mehrere Glasfasern an eine Umwelt außerhalb des monolithisch integrierten Chips möglich. Der weitere Feldweitentransformator kann dabei insbesondere wie in der EP 0890121 offenbart mit einer TM-Fokussierungsrippe ausgebildet sein. Der Adapter hat nunmehr keinen symmetrischen Aufbau mehr, sondern zeigt unterschiedliche Schnittstellenausbildungen. Der diese verbindende integriert optische Wellenleiter im Adapter zeigt zunächst vom Defekt wellenleiter kommend eine flacher werdende Verbreiterung, die dann wieder in eine höherwerdende Verschmälerung übergeht. In der Mitte zwischen den Schnittstellen hat der integriert optische Wellenleiter dabei einen Querschnitt, den an das optische Feld eines photonischen Schaltkreises (PIC) angepasst ist. Dieser kann auch das anzukoppelnde weitere optische Bauelement sein, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsweiterbildung der zumindest eine weitere Feldweitentransformator zur Feldanpassung an einen photonischen Schaltkreis ausgebildet ist. Mittels eines solchen Adapters können dann komplette optische Schaltungen in einer gemeinsamen optischen Integration hergestellt werden.Furthermore, according to another embodiment of the invention, too be provided that the at least one further field width transformer for Field adaptation to a single-mode optical fiber is formed. In order to is a coupling of the photonic component islands via or multiple glass fibers integrated into an environment outside the monolithic Chips possible. The further field width transformer can in particular as disclosed in EP 0890121 formed with a TM focusing rib his. The adapter no longer has a symmetrical structure, but instead shows different interfaces. The connecting one Optical waveguide integrated in the adapter first shows the defect waveguide coming a flattening widening, which then in again an increasing narrowing passes over. In the middle between the Interfaces, the integrated optical waveguide has a cross section, adapted to the optical field of a photonic circuit (PIC) is. This can also be the further optical component to be coupled, if according to a next development of the invention the at least one additional field transformer for field adaptation to a photonic Circuit is formed. With such an adapter can then complete optical circuits in a common optical integration getting produced.
Sinnvoll ist die beschriebene Zusammenführung insbesondere, wenn alle beteiligten Komponenten einen ähnlichen Schichtaufbau aufweisen und daher gleichzeitig prozessiert werden können. Außerdem müssen sie alle mono modig arbeiten. Es kann sich dabei beispielsweise um den Anschluss eines oder mehrerer Laser oder um Wellenleiterzuführungen zu einer oder mehreren Photodioden handeln. Bei besonders aufwändig herzustellenden optischen Komponenten, die einen komplexen Schichtenaufbau aufweisen oder multimodig ausgelegt sind, ist eine Ausbildung des Feldweitentransformators nach der Erfindung vorteilhaft, bei der der integriert optische Wellenleiter eine Schnittstelle zur Stoßkopplung mit einer weiteren optischen Komponente, insbesondere eines optischen Boards, aufweist. Eine Stoßkopplung hat zwar eine gegenüber integrierten Kopplungen geringere Koppeleffizienz, lässt dafür aber auch unterschiedliche Materialkombinationen zu, beispielsweise zwischen den kostspieligen Verbindungshalbleitern mit den preiswerteren Silicon-, Silica- oder Polymermaterialien. Da die Fläche des verwendeten Halbleitermaterials durch die notwendigen vielen Prozessschritte zur Herstellung von integrierten Schaltungen mit optoelektronischen Elementen (OEIC) wie Lasern und Photodetektoren "wertvoll" ist, und diese Prozessschritte unter Umständen nicht mit dem Prozessschritten zur Herstellung des optischen Schaltungs netzwerks identisch sind, kann eine planar-hybride Integration in vielen Fällen wirtschaftlich günstiger sein als eine völlig monolithische Lösung. Die OEICs, die ultrakompakte photonische-Kristall-Bauelemente mit den Tapern der vorliegenden Erfindung enthalten, die als diskrete Chips gar nicht mehr mechanisch zu greifen wären, werden dann mit ihrer Oberseite nach unten ("up-side-down") in Flip-Chip-Technik in mechanische Führungen auf dem optischen Board eingelegt, erforderlichenfalls beim elektrischen Kontaktieren aktiv an die integriert-optischen Wellenleiter justiert und bis zum Ende der Ausbildung der Flip-Chip-Verbindung mechanisch fixiert. Diese Technologie kann man analog zur mikroelektronischen Multi-Chip-Modultechnik sehen, bei der auch bestimmte Funktionen in einem Chip monolithisch untergebracht werden und diese Chips dann auf einem Trägerchip ("mother board") eine planar-hybrid-integrierte Einheit bilden, an die dann Außenwelt angekoppelt wird.The merge described is particularly useful if all Components involved have a similar layer structure and therefore can be processed at the same time. In addition, they must all be mono work fashionably. This can be, for example, the connection of a or more lasers or to waveguide feeds to one or more Act photodiodes. In the case of particularly complex optical ones Components that have a complex layer structure or are designed multimode, is a training of the field transformer advantageous according to the invention, in which the integrated optical waveguide Interface for shock coupling with another optical component, in particular an optical board. There is a butt coupling a lower coupling efficiency compared to integrated couplings, therefore but also different material combinations, for example between the expensive compound semiconductors with the cheaper silicone, silica or polymer materials. Because the area of the semiconductor material used through the necessary many process steps for the production of integrated Circuits with optoelectronic elements (OEIC) such as lasers and Photodetectors are "valuable", and these process steps may not with the process steps to manufacture the optical circuit network are identical, a planar-hybrid integration can in many cases be economically cheaper than a completely monolithic solution. The OEICs, the ultra-compact photonic crystal devices with the tapers of present invention included as discrete chips no longer would be mechanically grasped, are then upside down ("up-side-down") in flip-chip technology in mechanical guides on the optical board inserted, if necessary when making electrical contact actively adjusted to the integrated optical waveguide and until the end of Formation of the flip-chip connection mechanically fixed. This technology can be seen in analogy to the microelectronic multi-chip module technology, at which also houses certain functions in a monolithic chip and these chips are then placed on a motherboard form a planar hybrid integrated unit, which is then coupled to the outside world becomes.
Zwischen den beiden anzupassenden Wellenleitern im erfindungsgemäßen Feldweitentransformator muss bei der Dimensionierung des Taperbereichs die Bedingung der Monomodigkeit erfüllt sein. Bei einer Verwendung von Wellenleitervernetzungen unter Nutzung von interferometrischen Effekten (z. B. genutzt in Richtkopplern oder Multimode-Interferenz-Kopplern) ist eine monomodige Auslegung erforderlich. Beispielsweise für die Zuführungs wellenleiter zu Photodioden kann jedoch gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Feldweitentransformators nach der Erfindung vorteilhaft vorgesehen sein, dass der integriert optische Wellenleiter im Anschluss an den Taperbereich einen Auslaufbereich aufweist, in dem bei der geometrischen Dimensionierung die Bedingung der Monomodigkeit aufgegeben und Multimodigkeit zugelassen ist. Durch eine derartige Ausgestaltung erlangt der erfindungsgemäße Feldweitenweitentransformator einer besondere Einsatzflexibilität, die durch die unterschiedlichen Adapterausführungen ohnehin bereits sehr groß ist. Between the two waveguides to be adapted in the invention Field width transformer must be used when dimensioning the taper area Condition of single mode must be met. When using Waveguide networking using interferometric effects (e.g. used in directional couplers or multimode interference couplers) is one single-mode design required. For example, for the feeder Waveguide to photodiodes can, however, according to a next embodiment the field width transformer according to the invention can be advantageously provided, that the integrated optical waveguide is connected to the taper area has a run-out area in which the geometric dimensioning abandoned the condition of single mode and allowed multi-mode is. The configuration according to the invention is achieved by such a configuration Span width transformer of a special versatility that through the different adapter designs are already very large.
Photonische Kristalle können auch mehrere parallele Defektwellenleiter oder verzweigte Defektwellenleiter aufweisen. Nach einer anderen Erfindungs ausgestaltung der Erfindung ist es deshalb vorteilhaft, wenn der Feldtrans formator nach der Erfindung mit weiteren Feldtransformatoren gleicher Bauart parallel an verschiedene Defektwellenleiter eines photonischen Kristalls monolithisch integriert angekoppelt ist. So ist jeder Defektwellenleiter mit einem eigenen Feldweitentransformator nach der Erfindung monolithisch integriert. Die Verzweigung kann leistungsabhängig oder wellenlängenselektiv über eine entsprechende Weiche (oder Vereiniger) erfolgen. An die einzelnen Defekt wellenleiter können dann über integriert optische Wellenleiter verschiedene monolithisch integrierte optoelektronische Bauelemente (beispielsweise Laser- oder Photodioden) angekoppelt sein.Photonic crystals can also have multiple parallel defect waveguides or have branched defect waveguides. According to another invention embodiment of the invention, it is therefore advantageous if the field trans formator according to the invention with further field transformers of the same type parallel to different defect waveguides of a photonic crystal is integrated monolithically integrated. So every defect waveguide is with one own field transformer according to the invention monolithically integrated. The branching can be performance-dependent or wavelength-selective via a appropriate switch (or unifier). To the individual defect Waveguides can then be integrated using optical waveguides monolithically integrated optoelectronic components (e.g. laser or photodiodes) can be coupled.
Je nach Anwendungsfall können der erfindungsgemäße Feldweitentransforma tor oder seine Ausbildungsformen in unterschiedlichen Schichtaufbauten realisiert sein. Nach einer nächsten Erfindungsfortführung kann zum einen vorgesehen sein, dass der monolithisch integrierte Schichtaufbau in einem höherbrechenden, insbesondere quaternären, III-V-Halbleiter-Verbindungs material als Wellenleiterschicht und einem dazu niederbrechenden, insbesondere binärem, III-V-Halbleiter-Verbindungsmaterial als optische Begrenzungsschicht ausgebildet ist. Eine übliche Materialpaarung ist beispiels weise GaInAsP mit einer Vakuumwellenlänge von 1,3 µm und InP. Zum anderen kann aber auch bei der Erfindung vorteilhaft vorgesehen sein, dass der monolithisch integrierte Schichtaufbau in einem höherbrechenden Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, als Wellenleiterschicht und einem dazu niederbrechenden Halbleitermaterial, insbesondere SiOx, als optische Begrenzungsschicht ausgebildet ist. Dadurch kann beispielsweise eine Ankopplung an einen weiteren PIC aus einem siliziumbasierten Hableiter material (Silicon-on-Isolator SOI), der als optisches Board zur Aufnahme von III/V-PICs oder -OEICs dient, realisiert werden. Auf dem optischen Board wird dann die Verbindung zur Glasfaserwelt sowie die optische Vernetzungs schaltung auf einem preiswerten Materialsystem ausgeführt. In den OEICs können dann in einem adäquaten Materialsystem die Laser- und Detektor funktionen monolithisch integriert mit photonischen-Kristall-Bauelementen realisiert sein.Depending on the application, the field width transformer according to the invention or its training forms can be implemented in different layer structures. According to a next continuation of the invention, it can be provided on the one hand that the monolithically integrated layer structure in a higher refractive, in particular quaternary, III-V semiconductor connecting material as a waveguide layer and a low-refractive, in particular binary, III-V semiconductor connecting material as an optical limiting layer is trained. A common material pairing is, for example, GaInAsP with a vacuum wavelength of 1.3 µm and InP. On the other hand, it can also be advantageously provided in the invention that the monolithically integrated layer structure is formed in a higher refractive index semiconductor material, in particular silicon, as a waveguide layer and a semiconductor material which refracts from it, in particular SiO x , as an optical limiting layer. In this way, for example, a coupling to another PIC made of a silicon-based semiconductor material (Silicon-on-Isolator SOI), which serves as an optical board for receiving III / V-PICs or -OEICs, can be realized. The connection to the fiber optic world and the optical networking circuit are then carried out on an inexpensive material system on the optical board. In the OEICs, the laser and detector functions can then be monolithically integrated with photonic crystal components in an adequate material system.
Der erfindungsgemäße Feldweitentransformator ist aufgrund seines kompakten Aufbaus relativ einfach herstellbar. Insbesondere kann die vertikale Taperung der Höhe des integriert-optischen Wellenleiters mittels Übertragung einer vertikal getaperten Lackrampe erzeugt werden. Epitaktische (ein kristalline) Aufwachsungsverfahren zur Herstellung sowohl von lateralen Taperungen (Belichtung durch ortsfeste Lackmaske) als auch von vertikalen Taperungen (Belichtung durch ortsveränderliche Lackmaske, vergleiche EP 0973188 A1) für Feldweitentransformatoren sind an sich bekannt. Bei dem doppelt getaperten Feldweitentransformator nach der Erfindung, beispiels weise in der Ausbildung mit einem Rippenwellenleiter, werden beide bekannte Verfahren miteinander kombiniert. Zunächst erfolgt ein epitaktischer Schichtaufbau des Ausgangsmaterials. Dann wird die Halbleiterrippe mit einer ersten Maske (z. B. aus SiNx-Material) mit lateraler Taperung definiert und in einem Trockenätzschritt ausgebildet. Zur Ausbildung der vertikalen Taperung wird dann mittels einer während der photolithographischen Belichtung der Photolackschicht verschieblichen zweiten Maske der Photolack unterschiedlich lange belichtet, was zu einer Ausbildung einer vertikalen Lackrampe nach der Entwicklung führt. Durch einen weiteren Trockenätzschritt wird dann die vertikale Lacktaperung auf den bereits lateral getaperten Rippenwellenleiter bis gegebenenfalls in die Pufferschicht übertragen, sodass dieser nun die angestrebte doppelte Taperung in den gewünschten Abmessungen aufweist.The field width transformer according to the invention is relatively easy to manufacture due to its compact construction. In particular, the vertical tapering of the height of the integrated optical waveguide can be generated by transferring a vertically tapered lacquer ramp. Epitaxial (a crystalline) growth process for the production of both lateral tapering (exposure through a stationary resist mask) and vertical tapering (exposure through a portable resist mask, compare EP 0973188 A1) for span transformers are known per se. In the double-tapered field transformer according to the invention, for example in training with a ridge waveguide, both known methods are combined. First, an epitaxial layer structure of the starting material takes place. Then the semiconductor fin is defined with a first mask (e.g. made of SiN x material) with lateral tapering and formed in a dry etching step. To form the vertical tapering, the photoresist is then exposed for different lengths of time by means of a second mask which can be moved during the photolithographic exposure of the photoresist layer, which leads to the formation of a vertical lacquer ramp after development. In a further dry etching step, the vertical lacquer tapping is then transferred to the rib waveguide, which has already been tapered laterally, as far as possible into the buffer layer, so that it now has the desired double tapering in the desired dimensions.
Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren, die zur besseren Anschauung in teilweise stark verzerrter Skalierung dargestellt sind, näher erläutert. Dabei zeigt: Forms of the invention are described below with reference to schematic figures, for better viewing in some strong distorted scaling are shown, explained in more detail. It shows:
Fig. 1 eine räumliche Ansicht des erfindungsgemäßen Feldweiten transformators, Fig. 1 a perspective view of the transformer of the span lengths according to the invention,
Fig. 2 ein Diagramm zur Feldanpassung durch die doppelte Tape rung des Feldweitentransformators, Fig. 2 is a diagram for field adjustment by the double tape tion of the field width transformer,
Fig. 3 einen dualen Adapter zur Kopplung eines Defektwellenleiters mit einer Glasfaser, Fig. 3 shows a dual adapter for coupling a defect waveguide having a glass fiber,
Fig. 4 einen weiteren dualen Adapter zur Kopplung eines Defekt wellenleiters mit einer Glasfaser, Fig. 4 shows another dual adapter for coupling a defect waveguide having a glass fiber,
Fig. 5 einen multiplen Adapter zur Herstellung eine Netzwerks aus photonischen Kristallen, Fig. 5 shows a multiple adapter for producing a network of photonic crystals,
Fig. 6 eine parallele Anbindung eines photonischen Kristalls an verschiedene optoelektronische Bauelemente, Fig. 6 is a parallel connection of a photonic crystal to various optoelectronic devices,
Fig. 7 eine leistungsabhängige Anbindung eines photonischen Kristalls an verschiedene optoelektronische Bauelemente und Fig. 7 is a performance-based connection of a photonic crystal to various optoelectronic components, and
Fig. 8 eine wellenlängenabhängige Anbindung eines photonischen Kristalls an verschiedene optoelektronische Bauelemente. Fig. 8 is a wavelength dependent connectivity of a photonic crystal in various optoelectronic devices.
Die Fig. 1 zeigt einen integriert-optischen Feldweitentransformator 1 zur adiabatischen, monomodigen Feldanpassung zwischen einem photonischen Kristall 2 und einem integriert-optischen Wellenleiter 3, die beide in einer Wellenleiterschicht 4 monolithisch ausgebildet sind. Unterhalb der Wellenleiter schicht 4 schließt sich ein Schichtenaufbau aus zumindest zwei Puffer schichten 5, 6 und einer Leitschicht 7 auf einem Substrat 8 an. Der Wellenleiter 3 ist im gewählten Ausführungsbeispiel als Rippenwellenleiter 9 ausgebildet. Der photonische Kristall 2 als Bauelementeinsel mit Größen abmessungen im Submikrometerbereich weist eine periodische Lochan ordnung 10 auf. Durch die bohrungsartigen Tiefenätzungen 11, die sich bis in die obere Pufferschicht 5 erstrecken, wird in diesem Bereich der resultierende Brechungsindex so verändert, dass eine Bandlücke für die Lichtwelle entsteht. Fig. 1 shows an integrated optical field width transformer 1 for adiabatic single-mode field matching between a photonic crystal 2 and an integrated optical waveguide 3, both of which are monolithically formed in a waveguide layer 4. Below the waveguide layer 4 is a layer structure of at least two buffer layers 5 , 6 and a conductive layer 7 on a substrate 8 . In the selected exemplary embodiment, the waveguide 3 is designed as a rib waveguide 9 . The photonic crystal 2 as a component island with size dimensions in the submicron range has a periodic hole arrangement 10 . The resulting refractive index is changed in this area by the hole-like deep etching 11 , which extends into the upper buffer layer 5 , in such a way that a band gap for the light wave arises.
Diese kann sich nur in einem Defektwellenleiter 12 ausbreiten, der durch Wegfall der Tiefenätzung strukturiert ist.This can only spread in a defect waveguide 12 , which is structured by the elimination of the deep etching.
Der Feldweitentransformator 1 weist einen Taperbereich 13 auf, in dem der Rippenwellenleiter 9 doppelt getapert ist. Zum einen erstreckt sich eine vertikale Taperung 14 der Höhe H der Rippe 16 vom Defektwellenleiter 12 in Richtung auf den Rippenwellenleiter 9. Zum anderen läuft der vertikalen Taperung 14 eine laterale Taperung 15 der Breite B der Rippe 16 entgegen (in Fig. 1 durch entsprechende Pfeile angedeutet). Durch die doppelte, gegenläufige Taperung wird die Rippe 16 des Rippenwellenleiters 9 in Richtung auf den photonischen Kristall 2 immer schmaler und höher. Dabei ist der Querschnittsverlauf von zwei Kriterien abhängig. Zunächst muss im gesamten Taperbereich 13 Monomodigkeit gewährleistet sein (vergleiche Fig. 2). Außerdem muss zur Erzeugung einer möglichst großen Feldüberlappung eine zumindest vertikale Ausrichtung der Schwerpunkte der optischen Felder von Defektwellenleiter 12 und Rippenwellenleiter 9 erreicht werden (vergleiche Fig. 3). Dazu kann es in Abhängigkeit von der Effektivität der gewählten Halbleitermaterialkombination erforderlich sein, die vertikale Taperung 14 bis in die obere Pufferschicht 5 laufen zu lassen (im gewählten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 dargestellt). Dadurch ist die Höhe H als Maß der vertikalen Taperung 14 ein durch kontrollierte Tiefenätzung einstellbarer Parameter für die Feld überlappung und damit für die zu erreichende Koppeleffizienz von unter -1 dB des Feldweitentransformators 1 nach der Erfindung.The field width transformer 1 has a taper area 13 , in which the rib waveguide 9 is double-tapered. On the one hand, a vertical taper 14 of the height H of the rib 16 extends from the defect waveguide 12 in the direction of the rib waveguide 9 . On the other hand, the vertical taper 14 runs counter to a lateral taper 15 of the width B of the rib 16 (indicated by corresponding arrows in FIG. 1). The double, opposing tapering makes the rib 16 of the rib waveguide 9 ever narrower and higher in the direction of the photonic crystal 2 . The cross-sectional course depends on two criteria. First, 13 single-mode must be guaranteed in the entire taper area (see FIG. 2). In addition, in order to produce as large a field overlap as possible, an at least vertical alignment of the centers of gravity of the optical fields of defect waveguide 12 and rib waveguide 9 must be achieved (see FIG. 3). For this purpose, depending on the effectiveness of the selected semiconductor material combination, it may be necessary to let the vertical taper 14 run into the upper buffer layer 5 (shown in the selected exemplary embodiment in FIG. 1). As a result, the height H as a measure of the vertical tapering 14 is a parameter which can be set by controlled deep etching for the field overlap and thus for the coupling efficiency to be achieved of less than -1 dB of the field width transformer 1 according to the invention.
In der Fig. 2 ist ein Diagramm zur Ermittlung des richtigen Verhältnisses Höhe H zu Breite B der lichtführenden Wellenleiterschicht 4, im gewählten Ausführungsbeispiel der Rippe 16 des Rippenwellenleiters 9, dargestellt. Das hexagonale Lochmuster hat einen Lochabstand (Gitterkonstante) von 0,4 µm. Dies entspricht einem Materialfüllfaktor von 0,6. Die optische Feldbreite beträgt 0,6 µm. Zur Verdeutlichung sind die entsprechenden Rippenquerschnitte im Taperbereich 13 zugeordnet. Die Simulation wurde mit einem anmeldereigenen Rechenprogramm erstellt (die gleiche Simulation kann beispielsweise mit dem kommerziell erhältlichen Programm "FullWAVE" der Firma RSOFT durchgeführt werden), das eine zweidimensionale Methode der finiten Differenzen für TE- und TM-Moden anbietet. Es werden in Abhängigkeit von der Höhe H der Rippe 16 und deren Breite B getrennt für die TE-Mode und die TM-Mode die Ausbreitungsfelder berechnet. Dargestellt ist das TE-Moden- Ausbreitungsbild für eine quaternäre Wellenleiterschicht 4 mit einer der Energielücke äquivalenten Vakuumwellenlänge von 1,3 µm (Q-1,3 µm GaInAsP) auf einer binären Pufferschicht 5 (InP). Bei der Berechnung werden die Abmessungen so gewählt, dass keine Nebenmoden in der Rippe 16 auftreten und maximale Feldüberlappungen an Anfang und Ende des Taperbereichs 13 erreicht werden. Am Übergang zum photonischen Kristall 2 hat die Rippe 16 eine Höhe H, die bis in die Pufferschicht 5 hineinreicht. Im Diagramm ist auch zu erkennen, dass der Zusammenhang zwischen Höhe H und Breite B in einem großen Abschnitt umgekehrt proportional ist.In FIG. 2 is a diagram for determining the correct ratio of height H to width B of the light-guiding waveguide layer 4, the ridge waveguide 9 shown in the chosen embodiment of the rib 16. The hexagonal hole pattern has a hole spacing (lattice constant) of 0.4 µm. This corresponds to a material fill factor of 0.6. The optical field width is 0.6 µm. The corresponding rib cross sections in the taper area 13 are assigned for clarification. The simulation was created with an applicant's own computer program (the same simulation can be carried out, for example, with the commercially available program "FullWAVE" from RSOFT), which offers a two-dimensional method of finite differences for TE and TM modes. Depending on the height H of the rib 16 and its width B, the propagation fields are calculated separately for the TE mode and the TM mode. The TE mode propagation image is shown for a quaternary waveguide layer 4 with a vacuum wavelength equivalent to the energy gap of 1.3 μm (Q-1.3 μm GaInAsP) on a binary buffer layer 5 (InP). In the calculation, the dimensions are chosen such that no secondary modes occur in the rib 16 and maximum field overlaps are achieved at the beginning and end of the taper region 13 . At the transition to the photonic crystal 2 , the rib 16 has a height H which extends into the buffer layer 5 . The diagram also shows that the relationship between height H and width B is inversely proportional in a large section.
In der Fig. 3 ist ein dualer Adapter 20 dargestellt, der zur Ankopplung des Defektwellenleiters 12 mit einer optischen Glasfaser 21 dient. Mit dem Feldweitentransformator 1 zur Kopplung des Defektwellenleiters 12 mit dem Rippenwellenleiter 9 ist ein weiterer Feldtransformator 22 monolithisch integriert, der der Kopplung eines Rippenwellenleiters 23 mit der Glasfaser 21 dient. Ein solcher Feldweitentransformator 22 ist aus der EP 0890121 bekannt und weist eine vertikale Taperung mit veränderlicher Neigung auf. Die Fig. 4, zeigt ebenfalls einen dualen Adapter 30 zur Ankopplung an eine optische Glasfaser 31 mit einem ähnlichen weiteren Feldweitentransformator 32, der aus dem oben zitierten Paper [VI] bekannt ist und in seinem Rippenwellenleiter 33 ausschließlich eine laterale Taperung aufweist. der bekannte Feldweiten transformator 32 dient der Aufweitung des optisches Feldes eines typischen GaInAsP/InP-Chipwellenleiters für die Wellenlänge von 1,5 µm (z. B. Rippen breite: 2 µm; Rippen- und Schichtmaterial: GaInAsP-Material mit einer der Energielücke äquivalenten Vakuumwellenlänge von 1,3 µm (kurz: Q-1,3); Q- 1,3-Dicke: 1 µm; Rippenhöhe: 0,3 µm; Q-1,3-Leitschicht unterhalb des Rippenwelleiters) auf das optische Feld einer Standard-Einmodenglasfaser. Der monolithisch integrierte photonische Kristall 2 nutzt die gleiche Q-1,3- Schicht zur Erzeugung der Vertikalführung. Die Wirkung der beiden Feldweitentransformatoren 22, 32 ist identisch, bei beiden wird die Lichtwelle nach unten gedrängt. Welche Ausführungsform gewählt wird, hängt von den eingesetzten Materialien und den Einbaubedingungen ab. FIG. 3 shows a dual adapter 20 which is used to couple the defect waveguide 12 to an optical glass fiber 21 . With the field width transformer 1 for coupling the defect waveguide 12 to the ribbed waveguide 9 , a further field transformer 22 is monolithically integrated, which serves to couple a ribbed waveguide 23 to the glass fiber 21 . Such a field width transformer 22 is known from EP 0890121 and has vertical tapering with variable inclination. FIG. 4 also shows a dual adapter 30 for coupling to an optical glass fiber 31 with a similar further field width transformer 32 , which is known from the paper [VI] cited above and has only a lateral tapering in its rib waveguide 33 . the known field width transformer 32 is used to expand the optical field of a typical GaInAsP / InP chip waveguide for the wavelength of 1.5 μm (eg rib width: 2 μm; rib and layer material: GaInAsP material with an energy gap equivalent Vacuum wavelength of 1.3 µm (short: Q-1.3); Q-1.3 thickness: 1 µm; rib height: 0.3 µm; Q-1.3 guiding layer below the rib waveguide) onto the optical field of a standard singlemode glass fiber. The monolithically integrated photonic crystal 2 uses the same Q-1.3 layer to produce the vertical guide. The effect of the two field width transformers 22 , 32 is identical, in both the light wave is pushed down. Which embodiment is chosen depends on the materials used and the installation conditions.
Weiterhin sind Kombinationen des Feldweitentransformators nach der Erfindung mit einem weiteren Feldweitentransformator zur Ankopplung an einen photonischen Schaltkreis oder mit einem identischen Feldweitentrans formator nach der Erfindung zur Ankopplung an einen weiteren Defekt wellenleiter eines weiteren photonischen Kristalls möglich. Zum Anschluss von nicht-integrierten Komponenten kann der Feldweitentransformator auch direkt am Ende seines Taperbereiches eine Stoßstelle aufweisen. Dort kann auch ein Abschnitt eines integriert-optischen Wellenleiters vorgesehen sein, in dem zum Anschluss eines mehrmodig arbeitenden Bauelements die Bedingung der Monomodigkeit aufgegeben worden ist und sich mehrere Moden parallel ausbreiten können.Combinations of the field width transformer according to the Invention with another field width transformer for coupling a photonic circuit or with an identical field width trans formator according to the invention for coupling to a further defect waveguide of another photonic crystal possible. For connecting The field width transformer can also directly integrate non-integrated components have a joint at the end of its taper area. There can also be a Section of an integrated optical waveguide can be provided in which Connection of a multi-mode component the condition of Single mode has been abandoned and several modes are in parallel can spread.
In den vorhergehenden Figuren wurden Adapter mit zwei Schnittstellen gezeigt. In der Fig. 5 ist ein multipler Adapter 40 mit drei Schnittstellen in monolithisch integrierter Bauform dargestellt, mit dessen Hilfe ein optisches Netzwerk 41 aus mehreren photonischen Kristallen 42, 43, 44 als Bauele mentinseln hergestellt werden kann. Die Kopplung zu deren Defekt wellenleitern 45, 46, 47 erfolgt über mehrere Feldweitentransformatoren 1, 48, 49 nach der Erfindung (in der Figur angedeutet durch ein Symbol mit einer doppelten, gegenläufigen Taperung), die über einen Rippenwellenleiter 9 in Y- Form verbunden sind und unterschiedliche, jeweils an den zu koppelnden photonischen Kristalle 42, 43, 44 angepasste Dimensionierungen aufweisen können. Dargestellt ist eine 3 dB-Aufteilung der Pfade im Y, andere Aufteilungen, insbesondere mit einer leistungserhaltenden Kopplungsanordnung, sind möglich. Vorteil einer solchen Anordnung ist ihr geringer Platzbedarf und die gute Integration der sehr kleinen photonischen Kristalle. Ein derartiger monolithisch integrierter Adapter mit mehreren Ausgangsschnittstellen ist auch zur Ankopplung von mehreren Glasfasern, integriert-optischen Komponenten oder anderen optischen Bauelementen zur Ankopplung an einen oder mehrere Defektwellenleiter photonischer Kristalle ausbildbar.In the previous figures, adapters with two interfaces have been shown. In FIG. 5, a multiple adapter 40 is shown with three interfaces in monolithic integrated construction, with the aid of an optical network 41 from a plurality of photonic crystals 42, 43, can be prepared ment islands as Bauele 44th The coupling to their defect waveguides 45 , 46 , 47 takes place via a plurality of field width transformers 1 , 48 , 49 according to the invention (indicated in the figure by a symbol with a double, opposing tapering), which are connected via a rib waveguide 9 in a Y shape and can have different dimensions, each adapted to the photonic crystals 42 , 43 , 44 to be coupled. A 3 dB division of the paths in the Y is shown, other divisions, in particular with a power-maintaining coupling arrangement, are possible. The advantage of such an arrangement is its small space requirement and the good integration of the very small photonic crystals. Such a monolithically integrated adapter with a plurality of output interfaces can also be designed for coupling a plurality of glass fibers, integrated optical components or other optical components for coupling to one or more defect waveguides of photonic crystals.
In den Fig. 6, 7 und 8 ist ein paralleler Einsatz von mehreren Feldweiten transformatoren nach der Erfindung gezeigt, die an mehrere Defektwellenleiter monolithisch integriert angekoppelt sind. In der Fig. 6 sind in den photo nischen Kristalle 50 vier parallele Defektwellenleiter 51 integriert. Jeder Defektwellenleiter 51 ist über einen Feldweitentransformator 52 nach der Erfindung mit einem integriert-optischen Wellenleiter 53 mit einem optoelektronischen Bauelement 54. . .57 verbunden. Hierbei kann es sich beispielsweise um Laser- oder Photodioden handeln. Der photonische Kristall 60 in der Fig. 7 zeigt einen Defektwellenleiter 61, der sich über eine integrierte Y-Weiche als 3 dB-Koppler in zwei Defektwellenleiter 62, 63 aufteilt. Diese sind über zwei Feldweitentransformatoren 64, 65 mit zwei integriert optischen Wellenleitern 66, 67 verbunden, die zu zwei monolithisch integrierten optoelektronischen Bauelementen 68, 69 führen. In der Fig. 8 schließlich zeigt ein photonischer Kristall 70 einen Defektwellenleiter 71, der die Lichtsignale wellenlängenabhängig über eine integrierte wellenlängenselektive Weiche, die als bidirektionales Bauelement auch als wellenlängenselektiver Vereiniger arbeiten kann, auf zwei Defektwellenleiter 72, 73 leitet. Diese sind dann wiederum mit zwei Feldweitentransformatoren 74, 75 nach der Erfindung über zwei integriert optische Wellenleiter 76, 77 mit zwei monolithisch integrierten optikelektronischen Bauelementen 78, 79 verbunden. In FIGS. 6, 7 and 8, a parallel use of a plurality of field lengths is shown transformers according to the invention, which are coupled to a plurality of monolithically integrated defect waveguide. In FIG. 6, 50 four parallel defect waveguide 51 are integrated into the photonic crystals. Each defect waveguide 51 is connected via a field width transformer 52 according to the invention with an integrated optical waveguide 53 with an optoelectronic component 54 . , , 57 connected. This can be, for example, laser or photodiodes. The photonic crystal 60 in FIG. 7 shows a defect waveguide 61 , which is divided into two defect waveguides 62 , 63 via an integrated Y-switch as a 3 dB coupler. These are connected via two field width transformers 64 , 65 to two integrated optical waveguides 66 , 67 , which lead to two monolithically integrated optoelectronic components 68 , 69 . Finally, in FIG. 8, a photonic crystal 70 shows a defect waveguide 71 which , depending on the wavelength, conducts the light signals to two defect waveguides 72 , 73 via an integrated wavelength-selective switch, which can also function as a bidirectional component as a wavelength-selective combiner. These are in turn connected to two field width transformers 74 , 75 according to the invention via two integrated optical waveguides 76 , 77 with two monolithically integrated optoelectronic components 78 , 79 .
11
Feldweitentransformator nach der Erfindung
Field width transformer according to the invention
22
photonischer Kristall
photonic crystal
33
integriert-optischer Wellenleiter
integrated optical waveguide
44
Wellenleiterschicht
Waveguide layer
55
obere Pufferschicht
upper buffer layer
66
untere Pufferschicht
lower buffer layer
77
Leitschicht
conductive layer
88th
Substrat
substratum
99
Rippenwellenleiter
Ridge waveguide
1010
periodische Lochanordnung
periodic hole arrangement
1111
bohrungsartige Tiefenätzung
hole-like deep etching
1212
Defektwellenleiter
Defect waveguide
1313
Taperbereich
Taperbereich
1414
vertikale Taperung
vertical tapering
1515
laterale Taperung
lateral tapering
1616
Rippe
rib
2020
dualer Adapter
dual adapter
2121
optische Glasfaser
optical fiber
2222
weiterer Feldweitentransformator
additional field transformer
2323
Rippenwellenleiter
Ridge waveguide
3030
dualer Adapter
dual adapter
3131
optische Glasfaser
optical fiber
3232
weiterer Feldweitentransformator
additional field transformer
3333
Rippenwellenleiter
Ridge waveguide
4040
multipler Adapter
multiple adapter
4141
optisches Netzwerk
optical network
4242
, .
4343
, .
4444
photonischer Kristall
photonic crystal
4545
, .
4646
, .
4747
Defektwellenleiter
Defect waveguide
4848
, .
4949
Feldweitentransformator nach der Erfindung
Field width transformer according to the invention
5050
photonischer Kristall
photonic crystal
5151
Defektwellenleiter
Defect waveguide
5252
Feldweitentransformator nach der Erfindung
Field width transformer according to the invention
5353
integriert-optischer Wellenleiter
integrated optical waveguide
5454
. . ., , ,
5757
optoelektronisches Bauelement
optoelectronic component
6060
photonischer Kristall
photonic crystal
6161
, .
6262
, .
6363
Defektwellenleiter
Defect waveguide
6464
, .
6565
Feldweitentransformator nach der Erfindung
Field width transformer according to the invention
6666
, .
6767
integriert-optischer Wellenleiter
integrated optical waveguide
6868
, .
6969
optoelektronisches Bauelement
optoelectronic component
7070
photonischer Kristall
photonic crystal
7171
, .
7272
, .
7373
Defektwellenleiter
Defect waveguide
7474
, .
7575
Feldweitentransformator nach der Erfindung
Field width transformer according to the invention
7676
, .
7777
integriert-optischer Wellenleiter
integrated optical waveguide
7878
, .
7979
optoelektronisches Bauelement
B Wellenleiterbreite
H Wellenleiterhöhe
TE vertikale Modenkomponente
TM horizontale Modenkomponente
optoelectronic component
B waveguide width
H waveguide height
TE vertical fashion component
TM horizontal fashion component
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