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Die
Erfindung betrifft planare optische Wellenleiter und insbesondere
planare optische Wellenleiter, die Biegungen umfassen.
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Optische
Wellenleiter existieren in zwei Konfigurationen, nämlich als
Fasern und planar. Die planare Konfiguration ist geeignet für die Verarbeitung von
optischen Signalen und der Begriff „planar" wird verwendet, da sich die Pfadbereiche
in einem im Wesentlichen zweidimensionalen Raum befinden. Typischerweise
sind die Pfadbereiche aus einem amorphen Material gebildet und sie
befinden sich in einer Matrix aus einem oder mehreren verschiedenen amorphen
Materialien, die idealerweise alle denselben Brechungsindex haben.
Der Brechungsindex der Matrix ist geringer als der Brechungsindex
des Materials, das die Pfadbereiche bildet. Der Unterschied zwischen
den beiden Brechungsindexen wird oft durch Δn dargestellt und ist für die Bedingung
für eine effektive
Leitung mit geringer Dämpfung
normalerweise
Δn
= 0.01 (ungefähr).
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Die
amorphen Materialien sind vorzugsweise Glas, z.B. auf Siliziumdioxid
basierendes Glas, oder ein polymeres Material, wie ein organisches
Kunststoffmaterial. Mit Germanium gedoptes Siliziumdioxid ist besonders
für die
Pfadbereiche geeignet. In dem Fall der Matrix sind insbesondere
reines Siliziumdioxid oder Siliziumdioxid mit Verarbeitungshilfen, wie
Oxide von Phosphor und/oder Bor, geeignet. (Reines Siliziumdioxid
hat einen Brechungsindex von 1.446 und dies ist ein geeigneter Brechungsindex
für die
gesamte Matrix. Germanium erhöht
den Brechungsindex eines Siliziumdioxid-Glases). Es ist selbstverständlich möglich, reines
oder im Wesentlichen nicht-gedoptes Siliziumdioxid für den Pfadbereich
zu verwenden mit Index-reduziertem gedoptem Siliziumdioxid als dem
Mantel. Als eine Alternative zur Verwendung von amorphen Materialien
ist die Verwendung von kristallinen Materialien bekannt, wie Monokristall-
Silizium (typischerweise epitaxisch gewachsen) als der Pfadbereich.
Bei Silizium ist der Pfadbereich typischerweise von amorphen Materialien
mit geringerem Index umgeben, wie Siliziumdioxid oder gedoptes Siliziumdioxid.
Es ist jedoch bekannt, dass sowohl der Pfadbereich als auch der Mantelbereich
aus Monokristall-Halbleitermaterialien (wiederum normalerweise epitaxisch
gewachsen) gebildet sein können.
Obwohl die Erfindung in dieser Anmeldung unter Bezugnahme auf amorphe
Materialien beschrieben wird, die bevorzugt sind, findet die Erfindung
auch Anwendung auf Wellenleiter, die aus den anderen Materialtypen
gebildet sind, und die Verwendung soll nicht auf amorphe Materialien
beschränkt
sein.
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Obwohl,
wie oben erwähnt,
planare Wellenleiter-Strukturen nicht faserförmig sind, wird der Begriff „Kern" oft verwendet, um
die Pfadbereiche zu bezeichnen und die Matrix, in denen die Kerne
eingebettet sind, wird oft als der „Mantel" bezeichnet.
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Die
europäische
Patentbeschreibung EP-A-O 583 903 beschreibt Wellenleiter-Array-Gitter, die
aus einem Array von gekrümmten
planaren Wellenleitern verschiedener Längen bestehen. Die Wellenleiter
sind an ihren Enden nahe beieinander und in dem Bereich in der Mitte
weit auseinander angeordnet und stark gekrümmt. Endverluste und/oder Phasenfehler
werden an den Biegungen verringert, indem die Breite des planaren
Wellenleiters ausreichend groß gemacht
wird, um zu veranlassen, dass der Grundtyp (fundamental mode) des
optischen Signals weg von dem inneren Rand der Krümmung versetzt
wird. Der Grundtyp verbreitet sich effektiv in der Nähe des äußeren Randes
der Biegung und seine Ausbreitungskonstante wird tatsächlich unabhängig von
der Breite des Wellenleiters. Als ein Ergebnis tragen Breitenvariationen
des planaren Wellenleiters nicht zu einem Verlust bei und der Biegungsradius kann
derart reduziert werden, dass nur der Grundtyp um die Biegung geleitet
wird, ohne einen beträchtlichen
Verlust zu erleiden.
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Ein
Artikel von K.-H. Tietgen mit dem Titel „Probleme der Topographic
Integriert-Optischer Schaltungen" wurde
in Frequenz Vol. 35, Nr. 9, (September 1981), S. 247 – 252, veröffentlicht.
Tietgen beschreibt dielektrische Wellenleiter, die durch Diffusion,
z.B. Ti diffundiert in LiNbO3, erzeugt wurden. Tietgen
möchte
Krümmungen
mit kleinen Radii verwenden, um eine maximale Ausnutzung einer Substratoberfläche zu erzielen,
aber eine Teilstrahlung tritt in einer zu der Krümmung tangentialen Richtung
auf. Eine Aussparung gleich neben dem äußeren Rand des Wellenleiters
wurde vorgeschlagen, um diese Strahlung zu reduzieren, aber eine
Rauheit der Oberfläche
in der Wand der Aussparung verursacht ebenfalls Verluste. Tietgen
folgert, dass gekrümmte
Wellenleiter keine optimale Ausnutzung einer Substratoberfläche erzielen
können,
und schlägt
vor, dass Spiegel verwendet werden, um Licht durch eine Reflexion
umzuleiten.
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Die
europäische
Patentanmeldung EP-A-O 831 343 beschreibt Wellenleiter mit benachbarten Aussparungen
oder Vertiefungen.
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Die
Konfiguration, in der ein Mantel vollständig einen Kern umgibt, ist
für einen
Großteils
eines Wellenleiters geeignet, aber diese Erfindung betrifft spezielle
Abschnitte, wo andere Überlegungen
angewendet werden. Gemäß dieser
Erfindung umfasst eine planare Wellenleiter-Vorrichtung Bereiche,
in denen sich ein Segment eines Kerns befindet oder zwischen zwei
Aussparungen. Vorzugsweise erstrecken sich die Aussparungen über und
unter dieses Kernsegment. Es ist wünschenswert, dass die evaneszenten
Signalfelder, die sich in dem Kern fortbewegen, in die Aussparungen
eindringen.
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Die
maximale Ausdehnung der evaneszenten Felder außerhalb des Kerns ist normalerweise weniger
als 1 μm
und deshalb sollte eine Ummantelung zwischen dem Kern und der Aussparung
weniger als 500 nm sein. Vorzugsweise gibt es eine direkte Grenzfläche zwischen
dem Kern und der Aussparung. Der Zweck der Aussparung liegt darin,
einen sehr niedrigen Brechungsindex gleich neben dem Kern zu liefern,
d.h. Δn
so groß wie
möglich
zu machen. Der niedrigste Brechungsindex, nämlich 1, wird von einer leeren
Aussparung (d.h. Vakuum) geliefert, aber die meisten Gase haben
auch einen Brechungsindex von im Wesentlichen gleich eins. „Leere" Aussparungen, wie
oben beschrieben, sind insbesondere wertvoll, wo Kerne um Biegungen
herum gehen. Dies ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
und wird im Folgenden detaillierter beschrieben.
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Ein
hoher Anteil der Kerne besteht aus geraden Leitungen, aber mögliche Verwendungen
sind sehr eingeschränkt,
wenn die Kerne nur aus geraden Leitungen bestehen und im Allgemeinen
ist eine Signalverarbeitung in planaren Vorrichtungen nicht möglich, in
denen die Kerne nur aus geraden Leitungen bestehen. Viele planare
Vorrichtungen umfassen Multiplexer und/oder Demultiplexer und zu
deren Bildung sind Krümmungen
erforderlich. Komplizierte Vorrichtungen, wie Wellenleiter-Array-Gitter
(AWG – arrayed
waveguide gratings), erfordern viele Biegungen.
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In
vielen Vorrichtungen ist der Krümmungsradius
der Biegung ein kritischer Parameter bei der Bestimmung der Gesamtgröße der Vorrichtung.
Zum Beispiel platziert ein kleiner Krümmungsradius Wellenleiter-Segmente
nahe zusammen, wohingegen durch einen großen Krümmungsradius die Segmente weiter
voneinander entfernt sind. Um mehr Verarbeitungsfähigkeit
auf derselben Wafergröße vorzusehen,
ist es wünschenswert,
die Vorrichtungen so klein wie möglich
zu machen und, da der Krümmungsradius
ein kritischer Parameter ist, ist es wünschenswert, den Krümmungsradius
so klein wie möglich
zu machen. In einigen Fällen
wird der Abstand von Wellenleitern auf einem Wafer von externen
Beschränkungen
bestimmt und es kann erforderlich sein, einen kleinen Krümmungsradius
zu verwenden, um die externen Beschränkungen zu erfüllen.
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Es
ist offensichtlich, dass ein gekrümmter Pfad ein Kreis oder ein
Segment eines Kreises sein kann und in einem derartigen Fall ist
der Krümmungsradius
des Pfades konstant, d.h. er ist gleich dem Radius des Kreises.
Wenn ein gekrümmter
Pfad nicht kreisförmig
ist, hat er noch immer einen Krümmungsradius,
aber dieser Radius variiert von Punkt zu Punkt entlang der Krümmung. Nichtsdestotrotz
ist es noch immer so, dass ein kleiner Krümmungsradius für ein näheres Platzieren
von Vorrichtungen günstig
ist. Es ist normalerweise günstig,
den Krümmungsradius
zu der Mitte des Kerns zu messen, aber es gibt signifikante Unterschiede
zwischen dem Inneren und dem Äußeren der
Krümmung.
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Die
Leitung von optischer Strahlung um flache Biegungen herum, z.B.
mit Krümmungsradii
von 5 mm oder mehr, verursacht keine Probleme, aber scharfe Biegungen,
z.B. mit Krümmungsradii
unter ungefähr
2 mm, können
eine merkliche Verschlechterung der Leistung verursachen. Diese
Probleme können
schwerwiegend werden, wenn gewünscht
wird, noch kleinere Krümmungsradii
zu verwenden, z.B. weniger als 500 μm.
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In
einem Aspekt sieht die Erfindung eine planare Vorrichtung vor mit
ersten und zweiten Ein-/Ausgabe (I/O)-Platten und einem Gitterbereich,
der die ersten und zweiten Ein-/Ausgabe-Platten miteinander verbindet,
um so ein Wellenleiter-Array-Gitter zu bilden, wobei der Gitterbereich
von einem Mantel eingeschlossen ist, wobei der Mantel eine über dem
Gitterbereich liegende Mantelebene aufweist, der Gitterbereich einzelne
Wellenleiter-Kerne mit unterschiedlichen Längen aufweist, die Kerne mit
unterschiedlichen Längen
ausgebildet sind, eine Wellenlängen-Selektivität vorzusehen,
indem sie Phasenänderungen
eines zwischen den ersten und zweiten Ein-/Ausgabe-Platten übertragenen
Lichts verursachen, und die Kerne Biegungen umfassen, welche die
unterschiedlichen Längen
bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Vorrichtung Aussparungen
umfasst, die sich durch den Mantel bis zumindest zum Boden der Kerne
erstrecken und angrenzend an die inneren und äußeren Radien von zumindest
einigen der Biegungen derart vorgesehen sind, dass sich, in Betrieb,
die in den Biegungen mit angrenzenden Aussparungen ausbreitenden
evaneszenten Signalfelder bis zu den entsprechenden angrenzenden
Aussparungen ausdehnen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist eine planare Wellenleiter-Vorrichtung einen
Kern auf, der eine Biegung mit einem inneren Krümmungsradius und einem äußeren Krümmungsradius
hat, wobei der innere Krümmungsradius
weniger als 2 mm beträgt,
wobei sich „leere" Aussparungen angrenzend
an sowohl den inneren als auch den äußeren Krümmungsradius befinden, wobei
die Aussparungen vorzugsweise eine Grenzfläche mit dem Kern haben und
sich sowohl oberhalb als auch unterhalb des Kerns ausdehnen. Da
die Aussparungen durch Ätzen
erzeugt werden, dehnen sie sich normalerweise bis zur Oberfläche der
Vorrichtung aus, aber es ist wünschenswert;
das Ätzen
unter dem untersten Teil des Kerns fortzusetzen, um die Leitung
zu verbessern. Es wurde angemerkt, dass die Aussparungen „leer" sind. Geeigneterweise
können
die Aussparungen jede Atmosphäre enthalten,
die vorhanden ist, wo die Vorrichtung verwendet wird. In den meisten
Fällen
wird die Atmosphäre
Luft sein, aber im Weltraum wäre
dort ein Vakuum. Der Brechungsindex in der Aussparung ist im Wesentlichen
gleich eins, da dies der Brechungsindex eines Vakuums ist und praktisch
alle Gase einen Brechungsindex gleich eins haben.
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In
einem Aspekt behandelt die Erfindung das Problem des Verlusts einer
Leitung an Biegungen, was dazu führen
kann, dass Strahlung aus dem Kern entkommt. Die Schwere dieses Problems
steht in enger Beziehung zu dem Krümmungsradius der Biegung und
je kleiner der Krümmungsradius
ist, umso größer ist
das Problem. Wo der Krümmungsradius über 5 mm
ist, gibt es kein Problem, aber es tritt ein beträchtliches
Problem auf, wenn der Krümmungsradius
2 mm oder weniger beträgt.
Das Problem vergrößert sich
bei kleineren Krümmungsradii,
z.B. unterhalb 500 μm.
Die Anordnung der Aussparungen liefert eine verwendbare niedrige
Dämpfung
bei Krümmungsradii
bis ungefähr
50 μm. Es
ist offensichtlich, dass einige Wellenleiter-Strukturen eine Vielzahl von Biegungen
umfassen. Es wäre
kein Vorteil, Aussparungen neben Krümmungen mit Krümmungsradii
größer als
5 mm vorzusehen, und es ist sehr wünschenswert, dass alle Biegungen
mit Krümmungsradii
von weniger als 2 mm und insbesondere weniger als 500 μm mit Aussparungen
gemäß der Erfindung
versehen werden.
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Die
elektrischen und magnetischen Felder, die zu sich in den Kernen
ausbreitendem Licht gehören,
dehnen sich außerhalb
der Kerne aus und Idealerweise sollte die Aussparung so angeordnet
und ausreichend breit sein, dass diese Felder vollständig in
den Aussparungen enthalten sind. Für Wellenlängen des Bereichs von 1.5 μm dehnen
sich die Felder um ungefähr
1 μm jenseits
des Kerns aus. Für
die meisten Zwecke sind Aussparungen mit einer Breite von 30 μm ausreichend.
Es gibt keine Einwendung gegenüber
der Verwendung größerer Breiten,
wo diese passend zu und kompatibel mit der gesamten Struktur sind.
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Vorrichtungen
zur Wellenleitung gemäß der Erfindung
können
unter Verwendung herkömmlicher Herstellungstechniken
hergestellt werden. Zum Beispiel ist es günstig, eine Sequenz von Glasschichten durch
Flammen-Hydrolyse unter Verwendung herkömmlicher Photolithographie
aufzubringen, um Pfadbereiche und Aussparungen zu erzeugen. Um eine
Grenzfläche
zwischen der Aussparung und dem Kern zu erhalten, ist es angebracht,
den Kern derart zu ätzen,
dass er sich über
die Grenzen der Krümmung
hinaus ausdehnt, und Kernmaterial zu entfernen, wenn die Aussparung
geätzt
ist. Ein RIE-Prozeß (reactive
ion etching) ist insbesondere geeignet zur Erzeugung der Aussparungen,
da diese Technik von sich aus monodirektional ist und Aussparungen
mit senkrechten Seiten erzeugt.
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Die
Erfindung wird nun auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
Draufsicht ist, die den Ort der Aussparungen für eine Biegung von 90° darstellt;
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2 ein
Querschnitt entlang der radialen Linie AA von 1 ist;
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3 der 1 entspricht,
aber die Konfiguration vor dem Ätzen
der Aussparung darstellt; und
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4 der 2 entspricht
und die Konfiguration während
des Ätzvorgangs
darstellt;
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5 die
Konfiguration eines Wellenleiter-Array-Gitters (AWG) darstellt;
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6 die
Konfiguration von in dem AWG von 5 enthaltenen
Wellenleitern und Aussparungen darstellt;
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7 die
in dem AWG von 5 und 6 enthaltenen
Aussparungen darstellt;
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8 das
Spitzzulaufen an den Enden der in 7 gezeigten
Aussparungen darstellt;
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9 eine „Max Zehnder"-Vorrichtung mit Aussparungen
darstellt, um die Wärmeregelung
zu verbessern, und
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10 ein
Querschnitt durch die „Max
Zehnder"-Vorrichtung
von 9 ist.
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1 stellt
einen Kern 10 dar, der eine Biegung um 90° einschließt. Gemäß der Erfindung
befindet sich eine leere Aussparung 11 an der Außenseite der
Biegung und eine leere Aussparung 12 an der Innenseite
der Biegung.
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Der
Brechungsindex in beiden Aussparungen ist im Wesentlichen gleich
eins, z.B. enthalten beide Luft. (Alle die in diesen Beispielen
angeführten Brechungsindexe
wurden unter Verwendung von Strahlung mit einer Wellenlänge von
1523 nm gemessen).
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Der
Kern 10 hat einen quadratischen Querschnitt und die Seiten
des Quadrats sind 10 μm
lang. Die Biegung ist ein Quadrant eines Kreises und der Radius
des Kreises (gemessen bis zur Mittellinie des Kerns 10)
beträgt
125 μm.
Die äußere Wand 13 der Aussparung 11 ist
ebenfalls der Quadrant eines Kreises, aber in diesem Fall hat der
Kreis einen Radius von 160 μm. Ähnlich ist
auch die innere Wand 14 der Aussparung 12 der
Quadrant eines Kreises, aber in diesem Fall hat der Kreis einen
Radius von 90 μm. Aus
diesen Dimensionen wird offensichtlich, dass jede der Aussparungen 11 und 12 eine
Breite von 30 μm
hat.
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2 zeigt
einen senkrechten Querschnitt entlang der Linie AA von 1.
Dies ist ein radialer Querschnitt und er ist im Wesentlichen entlang
jedem Radius der Biegung identisch. 2 zeigt
die herkömmlichen
Schichten von planaren Wellenleiter-Vorrichtungen und diese Schichten
weisen, beginnend von der oberen Fläche abwärts, auf:
eine Abdeckschicht 21,
die aus Siliziumdioxid mit Verarbeitungsagenten besteht;
die
Kerne 10;
eine Pufferschicht 23 (und optional 22),
die aus reinem Siliziumdioxid (ohne Additive) besteht; und
das
Silizium-Substrat 24.
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(Das
Silizium-Substrat 24 liefert eine mechanische Unterstützung für die Struktur,
aber sie kann nicht zu der optischen Funktion beitragen. Normalerweise
ist die Pufferschicht 22, 23 ausreichend dick, damit
die zu optischen Signalen gehörenden
Felder nicht in das Silizium-Substrat 24 eindringen).
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Wie
für die
Vorbereitung von planaren Wellenleiter-Vorrichtungen aus Glas üblich, ist
der Startpunkt ein Substrat (das kommerziell erhältlich ist). Das kommerzielle
Substrat weist eine Schicht 24 aus Silizium auf und die
Oberfläche
dieses Silizium-Wafers wird oxidiert, um eine dünne festhaftende Schicht 23 aus
Siliziumdioxid zu erzeugen (die Teil der Pufferschicht 22, 23 zwischen
dem Kern 10 und der Silizium-Schicht 24 ist).
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Als
eine erste Stufe einer Vorbereitung wird eine gleichmäßige Pufferschicht
aus reinem Siliziumdioxid durch Flammen-Hydrolyse aufgebracht und der
Rückstand
dieser Schicht wird durch 22 bezeichnet. Der Kern 10 wird
aufgebracht, ursprünglich
als eine gleichmäßige Schicht
auf der Pufferschicht 22 (wenn gewünscht, kann die aufgebrachte
Schicht 22 weggelassen werden und der Kern 10 direkt
auf die dünne
Schicht 23 aus Siliziumdioxid aufgebracht werden.) Diese
Schicht wird ebenfalls durch Flammen-Hydrolyse aufgebracht, aber
der Flamme wird GeCl4 zugeführt, um
eine Schicht aus mit Germanium gedoptem Siliziumdioxid zu erzeugen,
um den Brechungsindex des Siliziumdioxids auf 1.456 zu erhöhen. Nach
der Aufbringung werden die nicht erwünschten Teile dieser Schicht
durch herkömmliche Photolithographie
entfernt, um den Kern 10 zu erzeugen.
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Nach
dem Ätzen
wird der gesamte Bereich von einer Abdeckschicht 21 aus
Siliziumdioxid durch Flammen-Hydrolyse abgedeckt und der Schicht
werden sowohl Bor als auch Phosphor zugeführt, um den Schmelzpunkt zu
verringern. Das Verhältnis
des Bors und des Phosphors wird angepasst, so dass die Schicht 21 denselben
Brechungsindex wie reines Siliziumdioxid hat, nämlich 1.446. Ursprünglich wird
die Schicht 21 als ein feiner Ruß aufgebracht, der geschmolzen
wird, um eine kompakte Schicht 21 zu liefern, die alle
Hohlräume
zwischen dem geätzten
Kern 10 füllt.
Dies schließt
normalerweise die Vorbereitung einer planaren Wellenleiter-Vorrichtung
ab, aber gemäß der Erfindung
werden die Aussparungen 11 und 12 geätzt. Wie
in 2 zu sehen ist, dehnen sich die Aussparungen 11 und 12 vollständig durch
die Abdeckschicht 21 und in die Pufferschicht 22 hinein
aus. Somit gibt es Grenzflächen 15 und 16 zwischen
dem Kern 10 und den Aussparungen 11 und 12.
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Die
Aussparungen 11 und 12 können als „leer" betrachtet werden, da sich darin keine
Füllung befindet.
Jedoch dringt jede Atmosphäre,
in der sich die Vorrichtung befindet, in die Aussparungen ein. Die
Atmosphäre
ist gasförmig
und in den meisten Umständen
wird die Atmosphäre
Luft sein. Wenn die Vorrichtung in einem Raumfahrzeug verwendet
wird, wäre
es möglich,
dass die Aussparungen ein Vakuum enthalten würden. Jedoch ist der Brechungsindex
in der Aussparung im Wesentlichen gleich eins, da dieser Brechungsindex
sowohl für
Vakuum als auch für Gase
gilt. Die in 1 und 2 dargestellte
Konfiguration hat den Effekt, dass an der Biegung alle Felder, die
sich in die Aussparungen 11, 12 ausdehnen, sich
in einem Bereich befinden, der einen Brechungsindex von eins hat.
Dies hat zwei bedeutende Wirkungen, die nun beschrieben werden.
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Der
Kern 10 hat einen Brechungsindex von ungefähr 1.456,
so dass die Differenz des Brechungsindexes zwischen dem Kern 10 und
den Aussparungen 11 und 12 0.456 beträgt. Dies
ist ein sehr großer
Unterschied und er liefert eine sehr starke Führung, wodurch Strahlungsverluste
an der Biegung reduziert werden und eine zufriedenstellende Führung um
die Biegung herum erreicht wird. Jedoch stellen die Grenzflächen 15 und 16 Grenzen
mit einer zugehörigen
großen
Brechungsindex-Differenz dar und deswegen gibt es einen beträchtlichen
Verlust durch Streuung (scattering) von den Grenzflächen 15 und 16.
Diese hohen Streuungsverluste wären über längere Pfadlängen nicht
zu tolerieren, aber die Biegungen sind nur ein kleiner Anteil der
Pfadlänge
und deswegen führt
eine hohe Streuung zu keinem wesentlichen Gesamtverlust. Darüber hinaus
hat die Biegung einen kleinen Krümmungsradius
(da die Erfindung insbesondere Biegungen betrifft, die einen kleinen
Krümmungsradius
haben) und deswegen ist die Umfangsdistanz um die Biegung herum
ebenfalls klein. Zum Beispiel beträgt die Distanz um die in 1 dargestellte
Biegung (basierend auf der Mitte des Kerns 10) ungefähr 200 μm. Die Höhe des Kerns 10 beträgt 10 μm, so dass
die gesamte Fläche
der beiden Grenzflächen 15, 16 klein
ist, ungefähr
4000 (μm)2.
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Wie
oben erwähnt,
ist das Verfahren zum Herstellen einer planaren Wellenleiter-Struktur
im Wesentlichen herkömmlich.
Jedoch wird das Verfahren zum Erzeugen der Grenzflächen 15 und 16 nun detaillierter
beschrieben.
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3 zeigt
die Konfiguration an der Biegung unmittelbar vor der Erzeugung der
Aussparungen 11 und 12. Als der Kern 10 geätzt wurde,
wurde ein sehr breiter Kern 30 an der Biegung übriggelassen.
Als eine Vorbereitung zum Ätzen
der Aussparungen 11 und 12 wird die Oberfläche der
Vorrichtung mit einer Maske abgedeckt, die Öffnungen über den vorgesehenen Aussparungen 11 und 12 freilässt. Die
Aussparungen 11 und 12 werden durch einen RIE-Prozeß (reactive
ion etching) erzeugt, dessen Technik in Bezug auf die Oberfläche der
Vorrichtung stark normal ausgerichtet ist. Dies erzeugt Aussparungen
mit senkrechten Wänden,
aber die Position der Aussparungen wird durch die Maske gesteuert.
Somit entfernt der Ätzvorgang
das Material in den Aussparungen, einschließlich das überschüssige Material in dem Pfadbereich 30.
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4 ist
ein Querschnitt entlang der Linie AA von 3. Sie zeigt
die fast am Ende des Ätzvorgangs
erzeugte Konfiguration. Teile der Grenzflächen 15 und 16 sind
bereits erzeugt, aber der erweiterte Kern 30 weist horizontale
Oberflächen 31 und 32 auf,
die dem Ätzen
ausgesetzt werden. Wenn der Ätzvorgang
fortschreitet, werden die Oberflächen 31 und 32 erodiert,
bis am Ende des Ätzens
der gesamte Überschuss 30 entfernt
wurde. Es ist offensichtlich, dass diese Technik die Grenzflächen 15 und 16 während dem Ätzvorgang
erzeugt und sie stellt sicher, dass diese beiden Oberflächen eine
Grenze zwischen dem Kern mit einem Brechungsindex von ungefähr 1.5 und
einem Aussparungsraum mit einem Brechungsindex von im Wesent lichen
gleich eins erzeugt. Die Wirkung dieser Anordnung wurde bereits erläutert.
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Wellenleiter-Array-Gitter
(AWG) haben mehrere Verwendungen bei der Verarbeitung von optischen
Signalen. AWGs erfordern viele, zumindest 25, normalerweise 50 bis
500 und typischerweise ungefähr
150 getrennte Pfade, wodurch Gitter-Effekte durch Interferenz zwischen
sich in unterschiedlichen Pfaden fortbewegender Strahlung erzeugt
werden. Die Pfade umfassen Richtungsänderungen und wegen Gründen, die
später
erläutert
werden, ist es wünschenswert,
die Änderungen
der Richtung durch enge Biegungen vorzusehen, z.B. Biegungen mit Krümmungsradii
von weniger als 150 μm.
Die Struktur derartiger AWGs wird nun unter Bezugnahme auf die 5, 6 und 7 beschrieben.
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5 liefert
eine sehr diagramm-artige Darstellung eines AWGs. Die wichtige Komponente
eines AWGs ist ein Gitterbereich 51, der detailliert in den 6 und 7 gezeigt
wird. Für
externe Verbindungen umfasst das AWG Eingabe-/Ausgabe-IO-Bereiche 52a und 52b.
Da die Pfade von Licht normalerweise reversibel sind, ist es geeignet,
wenn die Ein-/Ausgabe-IO-Bereiche 52a und 52b symmetrisch
sind, z.B. eine identische Konstruktion aufweisen.
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Jeder
der IO-Bereiche 52a, 52b weist eine I/O-Platte 53a,
53b und Verbindungspfade 54a, 54b auf. Jeder
der I/O-Platten 53a, 53b ist ein großer Bereich mit einem gleichmäßigen Brechungsindex,
der gleich zu dem der Pfadbereiche 10 ist. Jede I/O-Platte 53 hat
gekrümmte
Grenzen, von denen eine mit den Verbindern 54 in Verbindung
steht und die andere mit den Pfaden 61, 62, 63 in
Verbindung steht, die in dem Gitterbereich 51 vorhanden
sind. Es ist die Funktion einer I/O-Platte 53, eine auf
einem der Verbinder 54 empfangene Strahlung gleichmäßig auf
die Vielzahl von in dem Gitterbereich 51 enthaltenen Pfaden
zu verteilen.
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6 zeigt
das allgemeine Layout des Gitterbereichs 51. Wie oben erwähnt, weist
dieser Bereich eine Vielzahl von Pfaden auf, aber zur vereinfachten
Darstellung werden nur drei Pfade gezeigt. Diese sind der innere
Pfad 61, der äußere Pfad 62 und
ein typischer Pfad 63. (Der typische Pfad 63 wird viele
Male wiederholt). Die Pfade haben zwei Richtungsänderungen entlang der Leitungen 64a und 64b.
Die Wirkung dieser Richtungsänderungen
liegt darin, dass der Pfad 61 der kürzeste Pfad und der Pfad 62 der
längste
Pfad ist. Wie in 6 zu sehen ist, folgt der Pfad
einer kreisförmigen
Route um ein ungefähres
Zentrum 65 herum. Die Pfade sind abhängig von der Entfernung von
dem Zentrum 65 in der Länge
abgestuft.
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Wenn
die Länge
des kürzesten
Pfads 61 mit L μm
bezeichnet wird, dann sollten die anderen Pfade Idealerweise Längen von L + ΔL;
L + 2ΔL;
L + 3ΔL;...;
L + (n-1)ΔLaufweisen,
wobei n die Gesamtzahl von Pfaden ist.
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Es
ist der Zweck des Gitterbereichs 51, Interferenz-Effekte
infolge von in den verschiedenen Pfaden erzeugten Phasenänderungen
zu erzeugen. Deswegen ist ΔL
der kritische Parameter und es ist wichtig, dass ΔL zwischen
zwei angrenzenden Pfaden konstant ist. Da Interferenz-Effekte abhängig sind
von Bruchteilen einer Wellenlänge
(typischerweise im Bereich von 1.5 μm), muss ΔL sehr genau sein. Dies auferlegt
die Anforderung, dass die Gesamtlänge der Pfade mit derselben
Genauigkeit bestimmt werden muss. Die gemessene Länge des
Pfades, d.h. die Länge
in Mikrometern, kann genau von der Photolithographie festgelegt
werden, aber die tatsächliche
Länge des
Pfades ist abhängig
von anderen Überlegungen.
Da der Brechungsindex die Geschwindigkeit der Ausbreitung von Licht
in dem Pfad steuert, ist es wichtig, dass der Brechungsindex und somit
die chemische Zusammensetzung über
den gesamten Gitterbereich 51 hinweg einheitlich sind, und
dies ist bei einem großen
Bereich schwierig zu erreichen. Darüber hinaus können die
Unregelmäßigkeiten
in dem Querschnittsbereich der Pfade Geschwindigkeiten einer Ausbreitung
beeinflussen. In anderen Worten, die Einheitlichkeit von ΔL wird im Wesentlichen
durch genaue Steuerung von Prozessvariablen und insbesondere von
der chemischen Zusammensetzung der Pfadbereiche beeinflusst. Es
ist sehr viel leichter, eine Einheitlichkeit über einen kleinen Bereich beizubehalten
und deswegen gibt es einen hohen Anreiz, den Gitterbereich 51 so
klein wie möglich
zu machen.
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Aus 6 ist
offensichtlich, dass es, um die Größe des Gitterbereichs 51 so
klein wie möglich
zu halten, notwendig ist, alle Pfadbereiche so nah wie möglich am
Zentrum 65 zu behalten. Damit die Längen so kurz wie möglich sind,
muss der kürzeste
Pfad 61 so kurz wie möglich
sein, und es ist offensichtlich, dass eine Nähe zum Zentrum 65 wichtig
ist, um den Pfad so kurz wie möglich
zu halten. Wenn sehr kurze Pfadlängen
verwendet werden, wird die Konfiguration entlang der Leitungen 64a und 64b sehr
wichtig. Es ist nicht möglich,
eine plötzliche
Richtungsänderung
zu haben, und deswegen ist es notwendig, weiche Kurven für alle Pfade
vorzusehen. Es ist auch erforderlich, alle Krümmungsradii des Pfades so klein wie
möglich
zu halten. Um eine geeignete Führung an
den Biegungen vorzusehen, ist es angebracht, Aussparungen 66 an
der Innenseite und an der Außenseite
jeder Biegung vorzusehen. 6 zeigt
die Konfiguration der Aussparungen nicht, sie zeigt nur ihren Ort.
Die Konfiguration der Aussparungen wird detaillierter unter Bezugnahme
auf 7 beschrieben.
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7 zeigt
drei aneinander angrenzende Pfade 71, 72 und 73 an
den Biegungen. Obwohl nur drei Pfade gezeigt werden, tritt dieselbe
Kon figuration an allen Biegungen für alle Pfade auf. Der Pfad 71 hat
eine innere Aussparung 71.1 und eine äußere Aussparung 71.2,
von denen beide direkte Grenzflächen
mit dem Pfad 71 aufweisen. Die Aussparungen 71.1 und 71.2 dehnen
sich ganz um die Krümmung herum
in die geraden Abschnitte auf beiden Seiten der Biegung hinein aus.
Es gibt einen Bereich 74 aus begrenzendem Glas zwischen
den Aussparungen 71.1 und 71.2 und einen ähnlichen
Bereich 75 aus begrenzendem Glas zwischen den Aussparungen 71.2 und 73.1.
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Die
Aussparungen dehnen sich in die geraden Abschnitte hinein aus und
deswegen befinden sich die Enden der Aussparungen in geraden Abschnitten.
Um plötzliche Übergänge zu vermeiden (die
eine Übergangsleistung
nachteilig beeinflussen könnten),
laufen die Aussparungen vorzugsweise spitz zu, wie in 8 gezeigt
wird, die den Rand 76 eines Pfads, den Rand 77 eines
begrenzenden Glases und das spitze Ende 78 darstellt. Das
Verhältnis der
Zuspitzung (nicht im Maßstab)
beträgt
50:1 bis 100:1.
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Die
in 9 und 10 gezeigte „Max Zehnder"-Vorrichtung weist
einen Splitter 81 auf, der eine Eingabe 88 in
einen ersten Pfad 82 und einen zweiten Pfad 83 aufteilt.
Diese laufen an einer Verbindungsstelle 84 in eine Ausgabe 89 zusammen.
Sich verändernde
Interferenz-Effekte
ermöglichen
der Anordnung, als ein Schalter zu arbeiten. Der erste Pfad 82 befindet
sich zwischen den Aussparungen 85 und 86 und die
darüber
liegende Begrenzung 90 wird von einem Aktuator 87 abgedeckt,
der ausgebildet ist, den Brechungsindex des darunterliegenden Pfads 82 zu
verändern.
Der Aktuator hat vorzugsweise die Form eines elektrischen Heizelements 87 (Anschlüsse nicht
gezeigt). Ein Heizen des ersten Pfades 82 (oder eines geeigneten
Abschnitts davon) verändert die
Länge und
den Brechungsindex, wodurch die Phasenbeziehungen an der Verbindungsstelle 84 betroffen
sind. Die Aussparungen 85 und 86 lokalisieren den
Heizeffekt, um eine schnel lere Antwortzeit zu liefern. Wie am besten
in 10 zu sehen ist, werden die Pfade 82, 83, 88 und 89 von
darunterliegenden Schichten 22, 23 und 24 getragen.
Diese Schichten sind ähnlich
den in 2 und 4 gezeigten Schichten.
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An
dem Splitter 81 und der Verbindungsstelle 84 ist
es angebracht, Krümmungen
zu verwenden. Wenn die Radii der Krümmungen klein sind, ist es
angebracht, die Krümmungen
zwischen Aussparungen zu platzieren, wie in dieser Beschreibung
oben erläutert
wurde.