NL1011252C2 - Optische golfgeleidercomponent die ten minste één gebogen golfgeleiderkanaal omvatten. - Google Patents

Description

5 Optische golfoeleidercomponent die ten minste één gebogen golfgeleiderkanaal omvatten

De uitvinding heeft betrekking op een (planaire) polymere optische golfgeleider-component, zoals een optische schakelaar, splitter, ‘phased array’, Mach 10 Zehnder interferometer (MZI) of dergelijke, die ten minste één polymeer golfgeleiderkanaal ingebed in een polymeer ‘cladding’ (deklaag) omvat, waarbij dit golfgeleiderkanaal een brekingsindex heeft die hoger is dan die van de cladding en ten minste één bocht of gebogen stuk omvat.

15 Men gebruikt bochten om de voortplantïngsrichting van een mode te wijzigen of om een bepaalde offset te bereiken. Zo zijn in optische 1x2 schakelaars zoals beschreven in G.F. Lipscomb et al., “Packaged thermo-optic polymer 1x2 switch,” Conference on Optical Fiber Communication (OFC’95), San Diego, Technical Digest, Vol. 8 (25 February 1995), 221-222, bochten nodig om de 20 uiteindelijke 'output pitch' (uitgangsafstand) of scheiding van meer dan 125 pm tussen de twee uitgangskanalen te verkrijgen die vereist is voor de bevestiging van standaard ‘single mode’ (enkele modus) glasvezels.

·#

Helaas is het niet mogelijk kleine bochtstralen willekeurig te kiezen, aangezien 25 kleine stralen (d.w.z. scherpe bochten) leiden tot groot verlies door de omzetting van 'guided modes' (geleide modi) in stralingsmodi. Bijgevolg is het niet mogelijk zulke optische golfgeleidercomponenten de vaak (om technische of commerciële redenen) vereiste compactheid te geven, met name wanneer de optische componenten diverse gebogen golfgeleiders en/of golfgeleiders 30 met een veelheid aan bochten (b.v. S-bochten) omvatten.

2

De onderhavige uitvinding heeft tot doel de omvang van optische golfgeleidercomponenten die bochten of gebogen stukken omvatten te reduceren en om zogenaamde buigverliezen te verlagen. Dit doel wordt bereikt door toepassing van een bocht of gebogen stuk waar ten minste een deel en bij ' 5 voorkeur heel de bocht of het gebogen stuk een brekingsindexcontrast heeft i dat hoger is dan het brekingsindexcontrast in de rest van het ! golfgeleiderkanaal. Bij voorkeur wordt de bocht of het gebogen stuk met een , hoger brekingsindexcontrast serieel geënt.

ï ! 10 Gebleken is, dat het gebruik van polymeren met een betrekkelijk hoge j brekingsindex in de bochten of van polymeren met een betrekkelijk lage brekingsindex in de cladding rond de bochten zeer kleine stralen mogelijk ! maakt: voor bepaalde materialen en golflengtes zijn zelfs stralen van minder dan 1 mm mogelijk. Verrassenderwijs is ook gebleken dat in de polymeer- 15 componenten volgens de onderhavige uitvinding de buigverliezen afnemen (tot een bepaald punt) naarmate de straal kleiner wordt. Een ander voordeel van de j onderhavige uitvinding is dat de overige, rechte golfgeleiderkanalen hierdoor i niet hoeven te worden beïnvloed en geoptimaliseerd kunnen worden voor

S

andere doeleinden, b.v. koppeling van de golfgeleider aan een single mode 20 glasvezel, waarvoor een golfgeleiderkanaal met een betrekkelijk lage brekingsindex vereist is.

Bij voorkeur is het verschil tussen het brekingsindexcontrast in de bocht of het gebogen stuk en het brekingsindexcontrast in de rest van het golfgeleider-25 kanaal ten minste groter dan 0.002. Zo is bij een brekingsindexcontrast in de rechte stukken van de golfgeleider van 0.003 tot 0.005 het contrast in de bocht of bochten bij voorkeur ten minste 0.005 (often minste 0.007), b.v. 0.01. Verder verdient het de voorkeur een single mode golfgeleiderkanaal of -kanalen te 3 hebben en een zodanig contrast in de overgang van recht stuk naar bocht dat het kanaal niet ‘multi mode’ wordt in de bocht of het gebogen stuk.

Polymeren zijn verkrijgbaar met vrijwel elke relevante brekingsindex en maken 5 een betrekkelijk eenvoudige vervaardiging van geïntegreerde optische componenten mogelijk. Verder zijn polymeren heel geschikt voor toepassing in actieve optische componenten zoals thermo-optische (digitale) schakelaars, MZIs en dergelijke, aangezien zelfs een bescheiden wijziging van de temperatuur kan leiden tot een belangrijke wijziging van de brekingsindex.

10

Zoals eerder vermeld maakt de onderhavige uitvinding het mogelijk bochten met een zeer kleine bochtstraal toe te passen. Bochten met een straal van 0.3 tot 50 mm hebben de voorkeur. Met name bochten met een straal van 1 tot 20 mm, en bij voorkeur van 3 tot 10 mm, combineren compactheid enerzijds en 15 zeer geringe buigverliezen anderzijds.

De voordelen van de onderhavige uitvinding gelden ook bij de verwezenlijking van bochten die zijn ontworpen om te functioneren in het 'whispering gallery mode regime’. Voor nadere details aangaande het ‘whispering gallery mode 20 regime’ wordt verwezen naar M.K. Smit, “A Normalized Approach to the Design of Low-Loss Optical Waveguide Bends,” Journal of Lightwave Technology, Vol. 11 (1993), pp. 1737-1742.

Optische componenten volgens de uitvinding kunnen met voordeel worden 25 toegepast in diverse soorten optische communicatienetwerken. In het algemeen worden de optische componenten ofwel direct samengevoegd met optische componenten zoals lichtbronnen (laserdioden) of detectoren, ofwel zij worden gekoppeld aan de invoer en uitvoer van optische vezels, gewoonlijk glasvezels.

4

Optische componenten van polymeer zijn gewoonlijk compatibel met optische vezels en gebaseerd op ingebedde of ‘ridge-type’ ingebedde golfgeleider-kanalen. De aldus verkregen structuur omvat een kernpolymeer met een hoge 5 brekingsindex (gewoonlijk met een rechthoekige of vierkante doorsnede) ingebed in een cladding materiaal met een lagere brekingsindex. Volgens de onderhavige uitvinding heeft bij voorkeur ten minste een deel van het kernpolymeer in de bochten een brekingsindexcontrast dat hoger is dan dat in de rest van het kernpolymeer.

10

De polymeer golfgeleiderstructuren volgens de onderhavige uitvinding worden bij voorkeur gemaakt middels een ‘grafting’ of entproces dat ten minste de volgende stappen omvat: 1) het aanbrengen van een eerste kernlaag op een substraat, b.v. op een silicium ‘wafer’ (plakje silicium) voorzien van een 15 onderlaag, 2) het vormgeven van deze eerste kemlaag, b.v. door middel van reactief ionenetsen (RIE), waardoor de golfgeleiders en de delen van de golfgeleiders die geënt moeten worden, d.w.z. ten minste een deel van de bocht, verwezenlijkt worden, 3) het aanbrengen van een tweede kernlaag, die dient om de overige delen van de kern te vormen, of van een cladding, 4) het 20 aanbrengen van een planarisatielaag op de tweede kernlaag, resp. de cladding en 5) het terug etsen van de planarisatielaag en de tweede kernlaag tot de gewenste hoogte van de golfgeleider. Vanaf stap 2 zijn twee routes mogelijk: ofwel men kan een tweede kernlaag aanbrengen, waarbij een serieel geënte kern wordt verkregen, of men kan een cladding aanbrengen, waarbij de 25 cladding in een later stadium geënt moet worden.

De planarisatielaag dient een etssnelheid te hebben (voor het toegepaste ets-proces) die in wezen gelijk is aan de etssnelheid van de tweede kernlaag alsook goede planarisatie-eigenschappen, met name een lage Tg (bij voorkeur ini 5 lager dan kamertemperatuur, d.w.z. minder dan 25°C). Na terug etsen heeft de stapel lagen een zeer vlak en regelmatig bovenvlak dat een zeer goede basis vormt voor verdere processtappen, bijvoorbeeld het aanbrengen van één of meer cladding bovenlagen en, bij een actieve optische golfgeleidercomponent, 5 van elektroden of verwarmingselementen.

De etssnelheid van de planarisatielaag kan heel gemakkelijk worden aangepast aan de etssnelheid van de tweede kemlaag of de cladding door middel van de toevoeging van een additief aan de planarisatielaag. Het additief omvat bij 10 voorkeur een aromatische groep, aangezien aromatische groepen de bestandheid tegen etsprocessen daadwerkelijk doen toenemen.

Nadere bijzonderheden omtrent enten zijn b.v. te vinden in T. Watanabe et al., "Novel ‘serially grafted’ connection between functional and passive polymer 15 waveguides,” Appl. Phys. Lett. 65 (10), 5 September 1994, 1205-1207.

Geschikte materialen voor en samenstellingen van de cladding en de kernlagen worden o.a. vermeld in M.B.J. Diemeer et al., “Polymeric phased array wavelength multiplexer operating around 1550 nm,” Electronics Letters, Vol. 32 20 (1996), 1132-1133, T.A. Tumolillo et al., “Solid State Optical Space Switches for

Network Cross-Connect and Protection Applications,” IEEE Communications Magazine (1997), 124-130 en de Internationale octrooiaanvrage WO 97/01782.

Opgemerkt wordt, dat in M.N. Ruberto et al., “Graded-Effective-Index 25 Waveguiding Structures Fabricated with Laser Processing,” SPIE Vol. 1215 Digital Optical Computing II (1990), 538-556, melding wordt gemaakt van een rib-achtige gebogen golfgeleider op GaAs/AIGaAs materiaal die in de buitenste bocht voorzien is van een iets diepere groef dan in de binnenste bocht. Aldus worden de stralingsverliezen in de bocht verlaagd. Ruberto et al. heeft geen λ n i *. ·'. z ·} 6 betrekking op de met optische vezels compatibele structuren volgens de i i onderhavige uitvinding, aangezien opsluiting van de modus wordt bereikt door aan weerszijden van het aangegeven golfgeleidingsgebied groeven aan te brengen. In dergelijke structuren is de ‘mode size’ (modusafmeting) heel gering 5 en asymmetrisch, wat leidt tot onaanvaardbaar koppelhoge verliezen tussen optische vezel en optische component. Verder verhinderen de groeven het aanbrengen van elektroden of verwarmers, die nodig zijn in actieve componenten zoals schakelaars en MZIs. Impliciet noch expliciet wordt melding i gemaakt van een kern golfgeleiderkanaal ingebed in een cladding van een : 10 ander materiaal. Het is zelfs zo dat de toepassing van groeven in dergelijke l structuren de golfgeleidingsstructuur ernstig zou kunnen verstoren, aangezien ! groeven de interne spanning die gewoonlijk voorkomt in samengestelde = structuren zouden doen vrijkomen.

15 Een gelijksoortig golfgeleider(component)kanaal wordt vermeld in de Japanse octrooiaanvrage JP 07178825, waarin eveneens een groef voor de reductie van optisch signaalverlies aan het bochtgedeelte van een optische golfgeleider wordt beschreven. De groef wordt gevormd aangrenzend aan de buitenkant a van het bochtgedeelte en gevuld met een gas met een brekingsindex die lager 20 is dan die van het kerngedeelte van de golfgeleider en ook dan die van het cladding-gedeelte van de golfgeleider. De componenten volgens JP 07178825 vertonen ook de bovengenoemde nadelen die voortkomen uit de toepassing van een groef.

25 Een ander golfgeleiderkanaal met in wezen dezelfde nadelen is bekend uit de Duitse octrooiaanvrage DE 38 04 330. Deze publikatie heeft echter geen betrekking op het reduceren van buigverliezen maar, in plaats daarvan, op het reduceren van overgangsverliezen.

SS

ü f.a LI s ^ il ra

Pl 7

Een techniek voor het variëren van de brekingsindex van de kern en/of de cladding van golfgeleiderstructuren van silicaatglas met behulp van een laserstraal is bekend uit EP 281 800. Deze techniek is niet geschikt voor toepassing in polymere optische componenten.

5

In het kader van de onderhavige uitvinding wordt het brekingsindexcontrast gedefinieerd als het verschil tussen de brekingsindex van het golfgeleider-kanaal en de brekingsindex van de cladding.

10 De uitvinding wordt verklaard aan de hand van een hierna volgend voorbeeld dat de uitvinding geenszins beperkt.

VOORBEELD

15 Er werden zes paar golfgeleiderkanalen die een kern (breedte: 6 μιη) met een S-bocht (offset; 125 pm) omvatten gefabriceerd middels het gebruikelijke spin-coaten en reactief ionenetsen. Elk paar had een bochtstraal die verschilde van de andere. De golfgeleiderkanalen in ieder paar waren hetzelfde, afgezien van het feit dat er een was geënt volgens de onderhavige uitvinding, terwijl in de 20 andere, die als referentie diende, het brekingsindexcontrast constant was in ieder deel van de kern.

Voor de cladding werd een polymeer met een lage brekingsindex (bij 1536 nm) van 1.5110 gebruikt. De kern werd bereid uit een polymeer met een 25 brekingsindex van 1.5170 (contrast 0.0060). De golfgeleiderkanalen volgens de onderhavige uitvinding werden voorzien van S-bochten van een polymeer met een brekingsindex van 1.5198 (contrast 0.0088) middels de eerder beschreven entmethode.

10' '05? 8

Het ‘excess loss’ (oververlies) werd gemeten aan elk van deze golfgeleiderkanalen bij een signaalgolflengte (T) van 1330 en 1536 nm. Excess loss wordt gedefinieerd als het extra verlies t.o.v. een recht golfgeleiderkanaal met dezelfde brekingsindex als de referentie 5 golfgeleiderkanalen en uitgedrukt in ‘dB’. In onderstaande Tabellen zijn de resultaten van de metingen te zien. ‘R’ staat voor de straal van de twee bochten in elke S-bocht en wordt uitgedrukt in mm.

Tabel 1 (λ = 1536 nm)

Uitvinding Referentie

R in mm Excess loss in dB Excess loss in dB

5Ö ÏTÏ5 ' TÖÖ 20 1.53 1.38 _15__1.02_ T88_ 10 1.12 3.78 7 1.01 3.72 4 1.03 6.31 10

Tabel 2 (λ = 1330 nm)

Uitvinding Referentie

R in mm Excess loss in dB Excess loss in dB

50 1.12 1.07 20 1.26 1.16 _15_ T46_ 089_ 10 0.79 1.82 _ 7__074___T83_ 4 0.35 3.65

Uit deze voorbeelden blijkt duidelijk dat in vergelijking met componenten die S-bochten met een (betrekkelijk) laag brekingsindexcontrast omvatten, een 15 (betrekkelijk) hoog brekingsindexcontrast in de geënte S-bochten het gebruik van zeer kleine bochtstralen mogelijk maakt. Bovendien is het zo dat terwijl I 1 0 11 ,? F Λ 9 verliezen in de S-bochten van de referentie toenemen naarmate de bochtstraal kleiner wordt, de verliezen in de S-bochten volgens de onderhavige uitvinding zeer verrassend (in zekere mate) blijken af te nemen naarmate de bochtstraal kleiner wordt.

5

Afhankelijk van de golflengte blijven de verliezen in de geënte bochten beneden een constante, aanvaardbare waarde bij stralen tussen 50 en 1 mm.

Claims (10)

1. Optische golfgeleidercomponent, zoals een optische schakelaar, splitter, ‘phased array’, Mach Zehnder interferometer of dergelijke, die ten minste 5 één polymeer golfgeleiderkanaal ingebed in een polymeer cladding omvat, waarbij dit golfgeleiderkanaal een brekingsindex heeft die hoger is dan die van de cladding en ten minste één bocht of gebogen stuk omvat, met het kenmerk, dat ten minste een deel van de bocht of het gebogen stuk een brekingsindexcontrast heeft dat hoger is dan het 10 brekingsindexcontrast in de rest van het golfgeleiderkanaal.

2. Optische golfgeleidercomponent volgens conclusie 1, waarbij het verschil tussen het brekingsindexcontrast in de bocht of het gebogen stuk en het brekingsindexcontrast in de rest van het golfgeleiderkanaal 15 meer is dan 0.002.

3. Optische golfgeleidercomponent volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de bocht of het gebogen stuk met een hoger brekingsindexcontrast serieel wordt geënt. 20

4. Optische golfgeleidercomponent volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de bocht een straal tussen 1 en 8 mm heeft.

5. Optische golfgeleidercomponent volgens één der voorgaande 25 conclusies, waarbij de bocht of bochten ontworpen zijn om te functioneren in het ‘whispering gallery mode regime’.

6. Optische golfgeleidercomponent volgens één der voorgaande conclusies, waarbij ten minste een deel van het polymeer in de bocht of ï ü I het gebogen stuk een brekingsindex heeft die hoger is dan die in de rest van het golfgeleiderkanaal.

7. Werkwijze voor het maken van de component volgens één der 5 voorgaande conclusies, welke werkwijze ten minste de volgende stappen omvat: • het aanbrengen van een eerste kernlaag op een substraat, • het vormgeven van deze eerste kernlaag, waardoor ten minste één golfgeleiderkanaal en de delen van de kern die geënt moeten 10 worden verwezenlijkt worden, • het aanbrengen van een tweede kernlaag, die dient om de overige delen van de golgeleiderstructuurte vormen, of van een cladding, • het aanbrengen van een planarisatielaag over de tweede kernlaag of de cladding 15. het terug etsen van de planarisatielaag en de tweede kernlaag, resp. de cladding tot de gewenste hoogte van de golfgeleider, waarbij de planarisatielaag een etssnelheid heeft die in wezen gelijk is aan de etssnelheid van de tweede kernlaag of de cladding.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij het materiaal dat de planarisatie laag vormt een polymeer is met een glasovergangstemperatuur van minder dan 25 °C.

9. Werkwijze volgens conclusie 7 of 8, waarbij de etssnelheid van de 25 tweede kernlaag of de cladding aangepast wordt aan de etssnelheid van de planarisatielaag door middel van de toevoeging van een additief aan de tweede kernlaag of de cladding. ί U ' : O

10. Werkwijze volgens conclusie 9, waarbij het additief een aromatische groep omvat. j ï 1 / a ï