DE69629410T2

DE69629410T2 - Polarisationsunabhängiger Multi-Wellenlängen-Filter und Herstellungsprozess

Info

Publication number: DE69629410T2
Application number: DE69629410T
Authority: DE
Inventors: Adrien Bruno
Original assignee: Oclaro North America Inc
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 1995-04-04
Filing date: 1996-04-02
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: EP0736786A1; FR2732776A1; US5832146A; DE69629410D1; EP0736786B1; FR2732776B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine technische Gebiet der Optoelektronik und im speziellen ein Multiwellenlängenfilter vom Typ aufweisend ein Bündel von Lichtleitern, die auf ein und demselben Substrat ausgeführt und derart angeordnet sind, dass das Ansprechen in der Wellenlänge des Filters von den Phasenverschiebungen abhängt, die durch das Licht durchgemacht werden, das sich in den Lichtleitern ausbreitet.
Verschiedene technologische Herangehensweisen wurden vorgeschlagen, um die Unabhängigkeit eines derartigen Multiwellenlängenfilter von der Polarisation zu erhalten.
In dieser Hinsicht kann man die Veröffentlichung nennen Polarization-insensitive arrayed-waveguide grating wavelength multiplexer on silicon", Optics Vol. 17, No. 7, April 1992, Seiten 499–501.
Wie in dem vorgenannten Artikel erwähnt, hat man somit eine Struktur vorgeschlagen, in welcher ein Halbwellen-Quartz-Plättchen auf halbem Wege an dem Bündel von Lichtleitern angeordnet ist, um die Polarisationsmodi TE und TM zu permutieren.
In dem Artikel von Zirngibl et al. mit dem Titel „Polarization-Independent 8x8 Waveguide Grating Multiplexer on InP", erschienen in Electronic Letters, Vol. 29, Seiten 201–202, Januar 1993, hat man vorgeschlagen, für die Polarisierungsmodi TM und TE verschiedene Reihenfolgen bzw. Ordnungen bzw. Befehle zu verwenden.
Ferner kann man ein Verfahren nennen, das darin besteht, räumlich die Polarisierungsmodi TE und TM zu trennen, welches Verfahren durch M. R. Amersfoort et al. vorgeschlagen wurde in dem Artikel mit dem Titel „A phased-array wavelength demultiplexer with flattened wavelength response", erschienen in Electronic Letters, Vol. 30, 1994.
Auch kann man ferner ein Verfahren nennen, das darin besteht, räumlich die Polarisierungsmodi TE und TM zu trennen, indem verschiedene Reihenfolgen bzw. Ordnungen bzw. Befehle berücksichtigt werden, welches Verfahren durch Spiekmann et al. vorgeschlagen wurde in der Veröffentlichung „Polarization-Independent InP-Based Phased-Array Wavelength Demultiplexer with Flattened Wavelength Response", Konferenz ECOC 94.
Die vorgenannten bekannten Verfahren sind nicht völlig zufriedenstellend. Das Verfahren, das darin besteht, ein Quartz-Plättchen anzusetzen, weist den Nachteil auf, Kopplungsverluste zwischen diesem Letztgenannten und den Lichtleitern zur Folge zu haben, und die Leistungen der Verfahren, die verschiedene Reihenfolgen bzw. Ordnungen bzw. Befehle für die Polarisierungsmodi TE und TM verwenden, sind hinsichtlich der Anzahl von Kanälen verschiedener Wellenlängen beschränkt, die durch das Filter getrennt werden können. Schließlich sind die Verfahren, die sich auf die Geometrie der Lichtleiter auswirken, um die Doppelbrechung zu modifizieren, schwierig technologisch auszuführen.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, den vorgenannten Nachteilen abzuhelfen und schlägt ein neues, polarisierungsunempfindliches Multiwellenlängenfilter vor, das leicht herzustellen ist, sich für eine monolithische Integration eignet und gestattet, die Demultiplexierung einer großen Anzahl von Känalen auszuführen.
Die Erfindung erreicht dies, indem sie ein Filter vorschlägt wie in Anspruch 1 festgelegt.
Ferner hat die Erfindung zum Gegenstand ein Verfahren zur Ausführung eines derartigen Filters wie in Anspruch 9 festgelegt.
Sonstige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung einer beispielhaften nicht beschränkenden Ausführung der Erfindung hervor und aus der beigefügten Zeichnung, in welcher:
1 eine schematische Gesamtansicht eines Multiwellenlängenfilters mit Bündel von Lichtleitern ist,
2 eine perspektivische, schematische und teilweise Ansicht eines erfindungsgemäßen Multiwellenlängenfilters mit der Darstellung eines geraden Abschnitts eines Lichtleiters ist,
3 eine schematische und teilweise perspektivische Ansicht eines gewölbten Abschnitts eines Lichtleiters ist,
4 ein Querschnitt eines Lichtleiters entsprechend der Schnittlinie IV-IV von 2 ist,
5 ein Querschnitt eines Lichtleiters entsprechend der Schnittlinie V-V von 2 ist,
6 ein Querschnitt eines Lichtleiters entsprechend der Schnittlinie VI-VI von 2 ist,
7 ein Querschnitt eines Lichtleiters entsprechend der Schnittlinie VII-VII von 3 ist,
8 ein Querschnitt eines Lichtleiters entsprechend der Schnittlinie VIII-VIII von 3 ist und
9 ein Querschnitt eines Lichtleiters entsprechend der Schnittlinie IX-IX von 2 ist.
In 1 hat man schematisch ein Multiwellenlängenfilter 1 dargestellt, das ein Bündel n von Lichtleitern g₁, ..., g_n aufweist. Diese Letztgenannten verbinden zwei Expansionszonen 2, 3, die in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch ebene Diopter gebildet sind. Lediglich die Expansionszone 2 ist in 2 perspektivisch dargestellt.
Das Filter 1 empfängt das einfallende Licht L_i durch einen Lichtleiter 10, der in die Expansionszone 2 mündet. Das Licht L_i wird in eine Vielzahl von Lichtwellen unterteilt, die sich jeweils in den Lichtleitern g₁, ..., gnausbreiten. Diese Lichtwellen schließen sich zusammen in der Expansionszone 3, wo sie interferieren. Die Lichtleiter g₁, ..., g_n weisen jeweils halbmondförmige Längen auf und die Lichtwege, die durch die Lichtwellen in den Lichtleitern g₁, ..., g_n zurückgelegt werden, sind verschieden. Diese Letztgenannten machen folglich Phasenverschiebungen durch, die nach Zusammenschluss in der Expansionszone 3 Interferenzen erzeugen nach dem Prinzip des Interferenzmessverfahrens von Mach-Zender. Die Reaktion des Filters in der Wellenlänge gestattet somit, mehrere Kanäle jeweils verschiedener Wellenlängen zu trennen, und das Filter findet Anwendung als Demultiplexer in den optischen Telekommunikationsnetzen. Ein oder mehrere Lichtleiter verbindet bzw. verbinden die Expansionszone 3 mit einem oder mehreren nicht dargestellten optoelektronischen Empfänger-Bauteil (en) oder mit Lichtleitfasern, die dazu bestimmt sind, das gefilterte Licht in Richtung auf andere optische oder optoelektronische Bauteile zuzuführen.
Polarisierungsrotatoren r₁, ..., r_n sind auf dem Lichtweg in einem jeden der Lichtleiter g₁, ..., g_n angeordnet, um die Strahlengänge bzw. optischen Weglängen zu egalisieren, die durch die Polarisierungsmodi TE und TM jeweils durchlaufen werden, und um die Polarisierungsunempfindlichkeit des Filters 1 zu erhalten.
Diese Polarisierungsrotatoren r₁, r₂, ..., r_n sind vom Typ, Mittel aufweisend, um einen jeden Lichtleiter derart zu laden, dass eine Asymmetrie seines effektiven Brechungskoeffizienten erzeugt wird.
Das Polarisationsrotationsphänomen, das erhalten wird, indem ein Lichtleiter derart geladen wird, dass eine Asymmetrie des effektiven Brechungskoeffizienten erzeugt wird, ist an sich bekannt und wurde insbesondere beschrieben durch Y. Shani in der Veröffentlichung „Applied Physics Letters" 59 (11), 9. September 1991.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Lichtleiter g₁, ...., g_n jeweils symmetrisch beiderseits einer Symmetriemittelebene S für das Lichtleiterbündel. Diese Ebene erstreckt sich in ihrem Schnittpunkt mit den Lichtleitern senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts.
Das Multiwellenlängenfilter 1 wurde ausgeführt, indem aufeinanderfolgend aufgewachsen wurde durch Epitaxie in der Dampfphase (MOCVD) in einem einzigen Schritt auf einem ebenen Substrat 4 in binärem Material InP eine Grundisolierschicht 5 in binärem Material InP einer Dicke von 1 μm, eine erste Führungsschicht 6 in quaternärem Material GaInAsP einer Dicke von 0,1 μm und eines Bandabstands bzw. verbotenen Energiebands einer Wellenlänge λ_g gleich 1,3 μm, eine Zwischenisolierschicht 7 in binärem Material InP einer Dicke von 1 μm, eine zweite Führungsschicht 8 in quaternärem Material GaInAsP einer Dicke von 0,1 μm und eines Bandabstands bzw. verbotenen Energiebands, das einer Wellenlänge λ_g = 1,3 μm entspricht und eine obenliegende Isolierschicht 9 in binärem Material InP einer Dicke von 1 μm. Die Führungsschichten 6, 8 in quaternärem Material InGaAsP haben jeweils eine Dicke kleiner oder gleich 1500 Å und einen Brechungskoeffizienten, der höher als derjenige der Isolierschichten 5, 7 und 9 ist. Unter Berücksichtigung der vorstehenden Werte ist die Gesamtdicke der Grundisolierschicht 5, der Zwischenisolierschicht 7 und der obenliegende Isolierschicht 9 einer Größenordnung von 3 μm.
Um den Lichtleiter 10 auszuführen, der gestattet, das einfallende Licht L_i der Expansionszone 2 zuzuführen, ätzt man die obenliegende Isolierschicht 9, um einen Streifen 11 einer Breite von 4 μm in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zu bilden. Die Expansionszone 2 ist durch Ätzen der obenliegenden Isolierschicht 9 auf der Seite des Lichtleiters 10 und durch tieferes Ätzen bis zur Führungsschicht 6 auf der Seite der Lichtleiter g₁, ..., g_n ausgeführt. Ebenso ist bzw. sind der oder die Lichtleiter, der bzw. die genutzt wird bzw. sind, um das Licht zu führen, das die Expansionszone 3 verlässt, durch Ätzen der obenliegenden Isolierschicht 9 ausgeführt, um einen oder mehrere Führungsstreifen zu bilden. Die Expansionszone 3 ist durch Ätzen der obenliegenden Isolierschicht 9 auf der Seite dieses bzw. dieser Lichtleiters) und durch tieferes Ätzen bis zur Führungsschicht 6 auf der Seite der Lichtleiter g₁, ..., g_n ausgeführt. Wohlgemerkt geht man nicht über den Rahmen der Erfindung hinaus, indem man mehrere Lichtleiter ausführt, um das Licht der Expansionszone 2 zuzuführen.
Die Lichtleiter g₁, ... g_n sind durch Beseitigen der obenliegenden Isolierschicht 9, der Führungsschicht 8 und der Zwischenisolierschicht 7 ausgeführt. Diese Materialbeseitigung erfolgt auf an sich bekannte Weise durch Trockenätzen (RIE, RIBE oder IBE) in dem beschriebenen Beispiel.
Ein jeder Lichtleiter g_k des Bündels (k ganze Zahl zwischen 1 und n) weist mit einem Hinweis versehene bzw. etikettierte Endabschnitte 12 auf, die mit den Expansionszonen 2 und 3 verbunden sind, und zwischen diesen Endabschnitten 12 mit Hinweisen versehene bzw. etikettierte geradlinige Abschnitte 13 und einen oder mehrere gekrümmte Abschnitte 19, die die geradlinigen Abschnitte verbinden. Die Struktur eines jeden Lichtleiters g_k ist vom „verdünnten" Typ, sie weist eine Doppelbrechung der Größenordnung von 5·10^–3 auf, wobei sich das Licht mit einem breiten Modus in den Führungsschichten 6 und 8 ausbreitet.
Um einen Polarisierungsrotatoren r_k auf einem geradlinigen Abschnitt 13 eines Lichtleiters g_k auszuführen, ätzt man auf besondere Weise die obenliegende Isolierschicht 9. Genauer gesagt, wie in 2, 5 und 6 dargestellt, wird die obenliegende Isolierschicht 9 derart geätzt, dass eine Aufeinanderfolge der wechselnder Motive 15 und 16 ausgeführt wird, die beiderseits einer in der Mitte gelegenen Generatrix-Oberfläche P angeordnet sind, die dem betroffenen Lichtleiter g_k zugeordnet ist, die senkrecht zur Ebene der Schichten verläuft. Die wechselnden Motive 15 und 16 weisen jeweils eine Breite L der Hälfte von derjenigen des Lichtleiters g_k auf, die in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Breite L gleich 2 μm ist. In den Krümmungen 19 ist die Struktur des Rotatoren rk asymmetrisch, wobei die Breite der wechselnden Motive nicht mehr gleich der Hälfte der Breite des Lichtleiters ist. Genauer gesagt, wie in 3 und 7 und 8 dargestellt, ist die obenliegende Isolierschicht 9 in den gekrümmten Abschnitten 19 eines jeden Lichtleiters gk derart geätzt, dass eine Aufeinanderfolge wechselnder Motive 17, 18 ausgeführt ist, die beiderseits einer Generatrix-Oberfläche P' angeordnet sind, die senkrecht zur Ebene der Schichten verläuft. Die Motive 18, die auf der Seite der Austiefunq der Krümmung gelegen sind, haben eine Breite L'' , die größer als die Halbbreite des Lichtleiters ist, und die Motive 17, die auf der gegenüberliegenden Seite gelegen sind, haben eine Breite L', die kleiner als die Halbbreite des Lichtleiters ist. In den Endabschnitten 12 erstreckt sich die obenliegende Isolierschicht 9 über die Breite des Lichtleiters, die in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel gleich 3 μm beträgt.
Die Länge der wechselnden Motive 15, 16, 17 oder 18 ist dieselbe, unabhängig von dem betrachteten Lichtleiter g_k.
Diese Länge ist gleich λ(n_TE – n_TM), wo n_TE, n_TM die effektiven Indizes entsprechend der Polarisierung und dem betroffenen Strukturtyp bezeichnen; geladene Struktur auf der Seite der Austiefung des Bündels von Lichtleitern (durch die Motive 16 und 18) oder geladene Struktur auf der gegenüberliegenden Seite (durch die Motive 15 und 17). Ein jedes Motiv führt einen Bruchteil der Polarisationsrotation aus, die in dem betroffenen Lichtleiter erforderlich ist, um die Polarisierungsmodi TE und TM derart zu permutieren, dass Lichtwege vorhanden sind, die durch die gleichen Polarisierungsmodi TE und TM durchlaufen werden. Dank dieser Permutation der Polarisierungsmodi TE und TM sind die zentra len Wellenlängen des Filters für die Polarisierungsmodi TE und TM gleich: λOTE = (nTEΔL/2 + nTMΔL/2)/m λOTM = (nrMΔL/2 + nTEΔL/2)/m,wobei ΔL die Längendifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtleitern (g_k+i, g_k) des Bündels von Lichtleitern g₁, ..., g_n und m die Beugungsordnung ist.
Schließlich gestattet die Erfindung, ein polarisierungsunempfindliches Multiwellenlängenfilter zu erhalten, das innerhalb einer monolithischen Struktur mit anderen optischen oder optoelektronischen Bauteilen integriert werden kann (da die Störstrukturen, die gestatten, die Variationen des effektiven Indizes der Lichtleiter zu erhalten, in denselben Materialien wie der Rest des Filters ausgeführt sind).
Die Erfindung ist nicht auf das soeben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Man kann insbesondere die Struktur vom verdünnten Typ durch eine nicht verdünnte Struktur ersetzen, deren effektiver Index jedoch nahe des Indizes des Substrats derart wäre, dass man eine schwache Doppelbrechung (bezogen auf das Substrat) hat.

Claims

Polarisierungsunempfindliches Multiwellenlängenfilter (1), aufweisend: – eine Eingangsexpansionszone (2), die an mindestens einen Eingangslichtleiter angeschlossen ist, – eine Ausgangsexpansionszone (3), die an mindestens einen Ausgangslichtleiter angeschlossen ist, – ein Bündel von Lichtleitern (g1, ..., gn) jeweiliger halbmondförmiger Längen, die die Expansionszonen parallel verbinden, wobei jeder Lichtleiter mindestens eine Krümmung (19) ausführt, wobei die Expansionszonen und das Lichtleiterbündel auf ein und demselben Substrat (4) ausgeführt und derart angeordnet sind, dass das Ansprechen in der Wellenlänge des Filters von den halbmondförmigen Phasenverschiebungen abhängt, die durch das Licht durchgemacht werden, das sich in den jeweiligen Lichtleitern ausbreitet, wobei das Filter außerdem Polarisierungsrotatoren (r1, ..., rk) aufweist, die auf dem Lichtweg in den Lichtleitern derart angeordnet sind, dass sie die gesamten Strahlengänge bzw. optischen Weglängen egalisieren, die durch die Polarisierungsmodi TE und TM in einem jeden der Lichtleiter durchlaufen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisierungsrotatoren (r1, ..., rk) vom Typ sind, aufweisend Mittel, um einen jeden Lichtleiter zu laden und eine Asymmetrie seines effektiven Brechungskoeffizienten zu erzeugen, wobei die Mittel zum Laden der Lichtleiter durch eine Aufeinanderfolge von wechselnden Motiven (15, 16, 17, 18) gebildet sind, die sich abwechselnd längs des einen und des anderen der Längsränder eines jeden der Lichtleiter erstrecken, wobei der Anteil der wechselnden Motive, der sich in der Krümmung eines jeden Lichtleiters erstreckt, derart angeordnet ist, dass die Motive (18), die sich längs des konkaven Rands der Krümmung erstrecken, eine größere transversale Ausdehnung haben als diejenige der Motive (17), die sich längs des konvexen Rands erstrecken.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter auf Höhe eines jeden Lichtleiters (g_k) folgende lagenweise Anordnung von durch Epitaxie aufgewachsenen Schichten aufweist: – ein Substrat (4), – eine Grundisolierschicht (5), – eine Grundführungsschicht (6) eines Brechungskoeffizienten, der größer ist als derjenige der Grundisolierschicht (5), – eine Zwischenisolierschicht (7) eines Brechungskoeffizienten, der kleiner ist als derjenige der Grundführungsschicht (6), – eine obenliegende Führungsschicht (8) eines Brechungskoeffizienten, der größer als derjenige der Zwischenisolierschicht (7) ist, – eine obenliegende Isolierschicht (9) eines Brechungskoeffizienten, der kleiner als derjenige der obenliegenden Führungsschicht (8) ist.
Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Laden eines jeden Lichtleiters (g_k) durch Ätzen der obenliegenden Isolierschicht (9) ausgeführt sind.
Filter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundführungsschicht (6) und die obenliegende Führungsschicht (8) in quaternärem Material InGaAsP ausgeführt sind, und die Grundisolierschicht (5), die Zwischenisolierschicht (7) und die obenliegende Isolierschicht (9) in binärem Material InP ausgeführt sind.
Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschichten (6, 8) jeweils eine kleinere Dicke oder eine Dicke gleich 1500 Å haben.
Filter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Grundisolierschicht (5), der Zwischenisolierschicht (7) und der obenliegenden Isolierschicht (9) einer Größenordnung von 3 μm ist.
Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das genutzte quaternäre Material eine Wellenlänge eines Bandabstands bzw. verbotenen Energiebands (λg) gleich 1,3 μm aufweist.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelbrechung eines jeden Lichtleiters (g_k) einer Größenordnung von 5·10^–3 ist.
Verfahren zum Ausführen eines polarisierungsunempfindlichen Multiwellenlängenfilters (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte aufweist, die darin bestehen: – durch Epitaxie auf das Substrat (4) die lagenweise Anordnung der aufeinanderfolgenden Schichten (5, 6, 7, 8, 9) aufzuwachsen, um einen Kern zur Führung des Lichts zu bilden, – auf die lagenweise Anordnung die beiden Expansionszonen, die Eingangsexpansionszone (2) und die Ausgangsexpansionszone (3) zu ätzen, wobei das Bündel von Lichtleitern (g₁, ..., g_n) die Expansionszonen, mindestens einen Eingangslichtleiter und mindestens einen Ausgangslichtleiter und die Aufeinanderfolge der wechselnden Motive (15, 16, 17, 18), die dazu bestimmt sind, einen jeden der Lichtleiter zu laden, mit der transversalen Ausdehnung der Motive verbindet, die sich längs des konkaven Rands der Krümmung eines jeden Lichtleiters erstrecken, die größer als diejenige der Motive ist, die sich längs des konvexen Rands erstrecken.