DE60201298T2

DE60201298T2 - Wellenleiter-Typ Verarbeitungsschaltung für optisches Signal

Info

Publication number: DE60201298T2
Application number: DE60201298T
Authority: DE
Inventors: Inoue Musashino-shi Yasuyuki; Oguma Musashino-shi Manabu; Hibino Musashino-shi Yoshinori; Kitou Musashino-shi Tsutomu; Mizuno Musashino-shi Takayuki; Koutoku Musashino-shi Masaki
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: EP1273941A1; DE60201298D1; EP1273941B1; US20030012479A1; ATE277362T1; US6731828B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lichtsignalverarbeitungsschaltung des Wellenleitertyps, und insbesondere auf eine Lichtsignalverarbeitungsschaltung des Wellenleitertyps, die spiralförmig in einer Gitterformschaltung angeordnet ist, mit Optokopplern und Verzögerungsschaltungen, die wechselweise kaskadiert sind.
Verschiedene Versuche sind unternommen worden, Wellenlängenmultiplexsysteme unter Verwendung einer Vielzahl optischer Wellenlängen zu entwickeln, um die Übertragungskapazität zu erhöhen. Bei einem derartigen Wellenlängenmultiplexsystem wird weitestgehend eine gitterförmige Schaltung verwendet. Das optische Filter wird verwendet in a) einer Wellenlängenmultiplexschaltung, die in einem Sender arbeitet, um Lichtsignale mit einer Vielzahl von Wellenlängen dem Multiplexverfahren zu unterziehen, b) einer Wellenlängendemultiplexschaltung, die in einem Empfänger arbeitet, um die Signale in verschiedene Ports dem Demultiplexverfahren zu unterziehen, c) in einer Entzerrungsschaltung in einem Lichtverstärker, der abgeschwächte Lichtsignale verstärkt, d) in einem Dispersionsentzerrer, der die Dispersion einer Gruppenverzögerung entzerrt, und dergleichen. Eine Schaltung in Gitterform enthält Optokoppler und Verzögerungsschaltungen, wie sie im Dokument US PS 5 701 372 offenbart sind.
1 zeigt die Konfiguration einer Schaltung in Gitterform. Signallicht, das die Eingangswellenleiter 103 beaufschlagt, durchläuft einen Optokoppler 101a. Eines der Signallichter hat eine von einer Verzögerungsschaltung 102a verzögerte Phasenlage. Nachfolgend werden die Signallichter an einen Optokoppler 101 gesendet, wo sie dem Multiplexverfahren unterzogen werden, um einander zu überlagern. Das optische Filter in Gitterform verwendet eine kaskadierte Konfiguration optischer Koppler und Verzögerungsschaltungen, um Multiplexsignallicht wiederholt dem Multiplexverfahren zu unterziehen, so daß das jeweilige Licht mit anderem überlagert wird, wodurch das Lichtsignal verarbeitet wird.
2A zeigt den Gesamtaufbau einer herkömmlichen Schaltung in Gitterform. 2B zeigt diesen Aufbau in mehr Einzelheiten. Die dargestellte Schaltung in Gitterform ist eine Schaltung in Gitterform mit vier Stufen, die aufgebaut ist aus fünf Optokopplern 201a, 201b, 201c, 201d und 201e und vier Verzögerungsschaltungen 202a, 202b, 202c und 202d.
Vorausgesetzt, daß der Lichtwellenleiter einen Radius einer Krümmung R und einen Regelabstand S hat und die Verzögerungsschaltungen eine optische Weglängendifferenz ΔL haben, hat die erste Stufe der Verzögerungsschaltung eine Größe von (2R + S) × (R + ΔL/2), wie in 2B gezeigt. Die Schaltung in Gitterform hat folglich eine Größe, die proportional zu Anzahl der Stufen N ist, und die sich ausdrücken läßt durch N(2R + S) × (2R + Lc + ΔL) , wie in 2A gezeigt. Hier bedeutet Lc die Länge eines Optokopplers. Das heißt, die Schaltungsgröße erhöht sich proportional zur Anzahl der Stufen entsprechend einer konstanten Proportion, die im wesentlichen dem Doppelten des Radius der Krümmung R entspricht. Die Anzahl von Stufen, die ausgelegt werden können, ist folglich merklich beschränkt.
Weiterhin ist es so, daß bei steigender Anzahl an Stufen mehr Kuppler und Verzögerungsschaltungen bei einem Grundmaß von (2R + S) vorgesehen sind. Im Ergebnis neigt die ganze Schaltung dazu, von einem Herstellungsfehler im Wafer beeinträchtigt zu werden. Wenn die Hälfte der Wellenplatte in eine symmetrische Achse eines jeden Armes der Verzögerungsschaltung eingefügt wird, muß die Rille in ein Verhältnis der Anzahl der Stufen eingeteilt sein, und die halbe Wellenplatte muß unabhängig in jeden Arm eingefügt werden. Diese Operation ist ineffizient.
In einer herkömmlichen Schaltung in Gitterform mit einer großen Anzahl von Stufen sind die Verzögerungsschaltungen zu einem Grundmaß angeordnet, das im wesentlichen dem doppelten Radius der Krümmung R entspricht. Eine groß gebaute Schaltung ist folglich erforderlich, und der Produktionsdurchsatz sinkt in Verbindung mit dem Anstieg des Schaltungsumfangs. Da die gesamte Schaltung dazu neigt, von einem Herstellfehler beeinträchtigt zu werden, werden die Eigenschaften der Schaltung weiterhin verschlechtert. Die Operation des Einfügens halber Wellenplatten ist des weiteren ineffizient. Eine Lichtwellenschaltung großen Umfangs mit zwei Spiralen, die zusammengesetzt sind, ist in Elektronics Letters, Ice Stevenage, GB, 24.09.1992, 28 (20), Seiten 1863 – 1864, von Suzuki et al. beschrieben.
Andererseits enthalten bekannte Optokoppler Richtkoppler, Y-Verzweigungen und MMI (Mehrfachmodus in Überlagerungskoppler). Der Richtkoppler wird häufig verwendet für ein Zwei-Licht-Interferometer auf Grund seines sehr geringen Verlustes. Idealerweise verwendet ein optischer Teiler/Zusammensetzer in einer herkömmlichen optischen Schaltung, wie einem optischen Schalter mit einem Zwei-Licht-Interferometer oder ein Mach-Zehnder-Interferometer, um ein Verzweigungsverhältnis von 50 zu erzielen. Der in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 11-344629, 1999, beschriebene optische Teiler/Zusammensetzer hat einen hohen Produktionsdurchsatz mit geringen Verlusten und ein Verzweigungsverhältnis, das sehr nahe an 50 % liegt.
Das für den optischen Teiler/Zusammensetzer häufig verwendete Verzweigungsverhältnis bei der Schaltung in Gitterform ist jedoch nicht auf 50 % beschränkt. Wenn das Verzweigungsverhältnis vom gewünschten Wert abweicht, können die Eigenschaften der optischen Schaltung, wie der Verlust, das optische Übersprechen und ein Dispersitionswert signifikant verschlechtert werden. Der herkömmliche Dispersitionsentzerrer verwendet abstimmbare Koppler, die das Verzweigungsverhältnis eines jeden optischen Teilers/Zusammensetzers steuern, nachdem die optische Schaltung hergestellt ist. Dies erhöht die Anzahl von Schritten, die erforderlich sind für die Herstellung der optischen Schaltung, sowie die Chipgröße und erfordert eine Stromversorgung, ein Steuer- und Regelsystem, die verwendet werden zum Betrieb des abstimmbaren Kopplers. Daher ist es schwierig, in der Praxis den Dispersionsentzerrer zu realisieren.
Wie zuvor beschrieben, enthält die Schaltung in Gitterform eine große Anzahl von Optokopplern, so daß für den Fall, daß jeder Optokoppler groß ist, die gesamte optische Schaltung ebenfalls eine enorme Größe annimmt, der Fertigungsdurchsatz eines einzelnen Wafers wird verschlechtert, die Kosten steigen, und andere Probleme können auftreten. Der Optokoppler ist erforderlich zum Reduzieren der Fluktuation beim Verzweigungsverhältnis, bei den Verlusten und bei der Polarisation sowie bei den Abmessungen.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtsignalverarbeitungsschaltung vom Wellenleitertyp zu schaffen, die eine verringerte Größe aufweist, die selten beeinträchtigt wird auf Grund von Herstellfehlern und die einen hohen Fertigungsdurchsatz hat.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Optokoppler zu schaffen, der Richtkoppler mit sehr kleinem Verlust verwendet, um die Variation im Verzweigungsverhältnis zu reduzieren, die auf Grund von Herstellfehlern und der Polarisationsabhängigkeit des Verzweigungsverhältnisses aufkommt.
Um diese Aufgaben zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung eine Lichtsignalverarbeitungsschaltung des Wellenleitertyps vor, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist.
Die obigen und andere Aufgaben, Wirkungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer herkömmlichen Schaltung in Gitterform zeigt;
2 ist ein Diagramm, das die gesamte herkömmliche Schaltung in Gitterform zeigt;
2B ist ein Diagramm, das die herkömmliche Schaltung in Gitterform in mehr Einzelheiten zeigt;
3A ist ein Schaltungslayoutdiagramm einer Schaltung in Gitterform in einer Lichtsignalverarbeitungsschaltung vom Wellenleitertyp nach der vorliegenden Erfindung;
3B ist ein Diagramm, das die Ausbreitung von Signallicht in der Schaltung mit Gitterform zeigt;
4A ist ein Schaltungslayoutdiagramm von Verzögerungsschaltungen, die eine Schaltung in Gitterform bilden, nach der vorliegenden Erfindung;
4B ist ein Diagramm, das die Verzögerungsschaltung zeigt, die die Schaltung in Gitterform aufbaut;
5A ist ein Schaltungslayoutdiagramm, das die Symmetrie der Anordnung von den Verzögerungsschaltungen einer Schaltung in Gitterform darstellt, nach der vorliegenden Erfindung;
5B ist ein Schaltungslayoutdiagramm, das die Anordnung von Optokopplern in einer Schaltung in Gitterform zeigt;
6A ist ein Diagramm, das die Größe einer Schaltung in Gitterform darstellt, nach der vorliegenden Erfindung;
6B ist ein Diagramm, das die Größe der Schaltung in Gitterform darstellt;
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Schaltungsgröße und Anzahl von Stufen für die Aufbauten der vorliegenden und herkömmlichen Schaltungen in Gitterform zeigt;
8 ist ein Diagramm, das die Verteilung von Optokopplern für die Aufbauten der vorliegen und der herkömmlichen Schaltungen in Gitterform zeigt;
9 ist ein Diagramm, das die Verteilung von Verzögerungsschaltungen für die Aufbauten der vorliegenden und herkömmlichen Schaltungen in Gitterform zeigt;
10A bis 10E sind Verfahrensdiagramme, die ein Herstellungsverfahren eines Wellenleiters zeigen, nach der vorliegenden Erfindung;
11A ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Verschachtelungsfilters, das ein erstes Ausführungsbeispiel bildet.
11B ist ein Diagramm, das die Übertragungseigenschaft des Verschachtelungsfilters zeigt, das das erste Ausführungsbeispiel bildet;
12 ist ein Schaltbild einer Schaltung in Gitterform dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 ist ein Layoutdiagramm einer Schaltung in Gitterform gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
14 ist ein Diagramm, das die Übertragungseigenschaft einer Schaltung nach dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
15 ist ein Schaltbild einer Schaltung in Gitterform nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
16 ist ein Layoutdiagramm einer Schaltung in Gitterform nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
17A ist ein Diagramm, das die Übertragungseigenschaften einer ersten Stufe des Verschachtelungsfilters nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
17B und 17C sind Diagramme, die die Übertragungseigenschaft einer zweiten Stufe des Verschachtelungsfilters nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigen;
17D ist ein Diagramm, das die Übertragungseigenschaft des gesamten Filters nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
18 ist ein Diagramm, das die Optokoppler nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
19 ist ein Diagramm, das ein erstes Beispiel einer Testschaltung für die Optokoppler zeigt;
20 ist ein Diagramm, das ein zweites Beispiel einer Testschaltung für die Optokoppler zeigt;
21 ist ein Diagramm, das die Verzweigungsverhältnisse der Optokoppler nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für den TM und TE-Modus zeigt;
22 ist ein Diagramm, das das Verzweigungsverhältnis für den TM- und TE-Modus für das erste Beispiel der Testschaltung zeigt;
23 ist ein Diagramm, das das Verzweigungsverhältnis für den TM- und TE-Modus für das zweite Beispiel der Testschaltung zeigt;
24 ist ein Diagramm, das die Polarisationsabhängig von Optokopplern nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
25 ist ein Diagramm, das die Polarisationsabhängigkeit vom ersten Beispiel der Testschaltung zeigt;
26 ist ein Diagramm, das die Polarisationsabhängigkeit vom zweiten Beispiel der Testschaltung zeigt;
27 ist ein Diagramm, das die Verzweigungsverhältnisse von sechs Wafern für das zweite Beispiel der Testschaltung zeigt;
28 ist ein Diagramm, das die Polarisationsabhängig von sechs Wafern für das zweite Beispiel der Testschaltung zeigt;
29 ist ein Diagramm, das die Verzweigungsverhältnisse von sechs Wafern für das erste Beispiel der Testschaltung zeigt;
30 ist ein Diagramm, das die Polarisationsabhängigkeit von sechs Wafern für das erste Beispiel der Testschaltung zeigt;
31 ist ein Diagramm, das die Verzweigungsverhältnisse von sechs Wafern für die Optokoppler nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
32 ist ein Diagramm, das die Polarisationsabhängigkeit von sechs Wafern für die Optokoppler nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
33 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines Verschachtelungsfilters zeigt, das aufgebaut ist aus Optokopplern nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
34 ist ein Diagramm, das die Konfiguration von Optokopplern zeigt, die Segmentwellenleiter nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwenden;
35 ist ein Diagramm, das die Übertragungsspektren von Verschachtelungsfiltern zeigt, die aufgebaut sind aus den Optokopplern unter Verwendung der Segmentwellenleiter nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
36 ist ein Diagramm, das die Übertragungsspektren eines Verschachtelungsfilters zeigt, das aufgebaut ist aus Optokopplern unter Verwendung von Wellenleitern mit einem einheitlichen effektiven Index.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
3A zeigt das Layout einer Schaltung in Gitterform in einer Lichtsignalverarbeitungsschaltung vom Wellenleitertyp nach der vorliegenden Erfindung. 3B zeigt die Ausbreitung von Signallicht in der Schaltung in Gitterform. Die Schaltung in Gitterform umfaßt Optokoppler 301a, 301b, 301c, 301d und 301e sowie Verzögerungsschaltungen 302a, 302b, 302c und 302d, die mit jeweiligen Optokopplern verbunden sind, und jeder setzt sich zusammen aus einem Wellenleiter mit zwei Armen, den Optokopplern und Verzögerungsschaltungen, die abwechselnd miteinander kaskadiert sind sowie einem Eingangswellenleiter 303, der mit dem vorderen Optokoppler 301a und einem Ausgangswellenleiter 304 verbunden ist, der wiederum mit dem hinteren Optokoppler 301e verbunden ist.
Mit dieser Konfiguration, wie sie in 3B gezeigt ist, breitet sich Signallicht, das die Schaltung durch den Eingangswellenleiter 303 beaufschlagt, vom inneren zum äußeren der Schaltung aus, während eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn erfolgt. Das Signallicht durchläuft einen Beugungspunkt 305 in der Mitte der Schaltung, breitet sich danach im Uhrzeigersinn von innen nach außen der Schaltung aus und tritt dann aus dem Ausgangswellenleiter 304 aus.
Das heißt, die Serie von Schaltungen in Gitterform sind so angeordnet, daß zwei Spiralen miteinander kombiniert sind in der Mitte vom Substrat, um sich so nicht gegenseitig zu kreuzen, und so daß die Optokoppler, von denen jeder aufgebaut ist aus zwei Armen, sich halb um die jeweiligen Spiralen erstreckt. Ein Ende des Wellenleiters 303, das verbunden ist mit dem vorderen Optokoppler 301a, und ein Ende des Ausgangswellenleiters 304, das mit dem hinteren Optokoppler 301e verbunden ist, sind so aufgebaut, daß sie sich von den jeweiligen Spiralen nach außen erstrecken. Die beiden Arme, die die Verzögerungsschaltung und die Optokoppler bilden, können somit zusammengebaut werden mit so einem Intervall, daß sie nicht miteinander gekoppelt sind, wodurch die Schaltung verglichen mit der vom Stand der Technik miniaturisiert werden kann.
In der obigen Beschreibung der Lichtsignalverarbeitung vom Wellenleitertyp setzt sich eine der Spiralen zusammen aus einem Eingangswellenleiter, einem Optokoppler und einer Verzögerungsschaltung, wo hingegen die andere ein Ausgangswellenleiter ist. Eine der Spiralen kann jedoch im Gegensatz dazu ein Eingangswellenleiter sein, wohingegen der andere aufgebaut sein kann aus einem Optokoppler, einer Verzögerungsschaltung und einem Ausgangswellenleiter.
4A zeigt ein Schaltungslayout von Verzögerungsschaltungen, die eine Schaltung in Gitterform nach der vorliegenden Erfindung bilden. 4B ist ein Diagramm, das die Verzögerungsschaltung in mehr Einzelheiten zeigt. Die Schaltung in Gitterform setzt sich zusammen aus einem Eingangswellenleiter 403, Optokopplern 401a, 401b, 401c, 401d und 401e, Verzögerungsschaltungen 402a, 402b, 402c und 402d, die eine feststehende optische Weglängendifferenz ΔL enthalten, und einen Ausgangswellenleiter 404.
Die Verzögerungsschaltungen erstrecken sich halbwegs um die jeweiligen Spiralen. Die beiden Optokoppler 401d und 401e befinden sich an jeweiligen Enden der Verzögerungsschaltungen 402d und sind einander gegenüberliegend im wesentlichen die Mitte der Spirale angeordnet. Alle Optokoppler 401a, 401b, 401c, 401d und 401e sind in einer Linie angeordnet.
Zur spiralförmigen Anordnung der Verzögerungsschaltungen in der Weise, daß die Wellenleiter einander nicht kreuzen, ist es erforderlich, eine kleine Innenverzögerungsschaltung und eine große Außenverzögerungsschaltung vorzusehen. Die Verzögerungsschaltungen der vorliegenden Erfindung gestatten die Längen L1 und L2 gerade Abschnitte des kürzeren Arms, um beliebig eingestellt zu werden, während die feststehende optische Weglängendifferenz ΔL beibehalten wird, wodurch vermieden wird, daß sich die Wellenleiter untereinander kreuzen, wie in 4B gezeigt.
Die Symmetrie der Schaltung in Gitterform nach der vorliegenden Erfindung ist nachstehend beschrieben. 5A zeigt ein Schaltungslayout von Verzögerungsschaltungen, und 5B zeigt ein Schaltungslayout von Optokopplern. Eine Schaltung in Gitterform setzt sich zusammen aus einem Eingangswellenleiter 503, Verzögerungsschaltungen 501a, 501b, 502a und 502b, Optokopplern 503a, 503b, 503c, 504a und 504b, und einem Ausgangswellenleiter 504.
Die Verzögerungsschaltungen 501a, 501b, 502a und 502b sind lateral symmetrisch in Hinsicht auf eine Symmetrieachse AA' angeordnet. Halbwellenplatten können somit in Rillen BB' bzw. CC' eingefügt werden, um eine Polarisationsabhängigkeit zu vermeiden.
Die Gruppe von Optokopplern 503a und 503b und die Gruppe von Optokopplern 504a, 504b und 504c sind symmetrisch integriert angeordnet in Hinsicht auf eine Symmetrieachse DD'. Dies vermeidet die Verschlechterung der Eigenschaften, die auf Herstellungsfehler eines Wafers zurückzuführen sind.
Die Größe der Schaltung in Gitterform nach der vorliegenden Erfindung ist nachstehend beschrieben. 6A zeigt ein Schaltungslayout, und 6B zeigt eine Verzögerungsschaltung in Einzelheiten. Die Schaltung in Gitterform setzt sich zusammen aus einem Eingangswellenleiter 603, benachbarten Verzögerungsschaltungen 601A und 601B, benachbarten Optokopplern 602a und 602b und einem Ausgangswellenleiter 604.
Wie in 6A gezeigt, ist das Minimalintervall zwischen den Verzögerungsschaltungen gleich (S + ΔL/2). Des weiteren ist das Minimalintervall zwischen den Optokopplern 4S. Wie folglich in 3 beschrieben, können die Arme der Verzögerungsschaltung und der Optokoppler zusammengebaut werden zu einem solchen Intervall, daß sie keine Kopplung untereinander aufweisen. Die Schaltungsgröße ist beschränkt durch den allerinnersten nach oben führen Abschnitt (2R + 7S) × (2R + 7S) . Da, wie zuvor beschrieben, die Arme der Verzögerungsschaltung und der Optokoppler gemeinsam integriert werden können zu einem solchen Intervall, daß sie keine Kopplung untereinander haben, gestattet ein mehrstufiger Aufbau der Schaltung, miniaturisiert zu werden, verglichen mit dem Stand der Technik.
Wie in 6B gezeigt, kann die Größe der Verzögerungsschaltung beliebig gesteuert werden unter Verwendung der Längen L1 und L2 der geraden Abschnitte vom inneren Arm. Selbst wenn die Verzögerungsschaltungen nicht die feststehende optische Weglängendifferenz ΔL aufweisen, kann folglich die gesamte Schaltung so ausgelegt werden, daß die innere und äußere Schaltung einander nicht kreuzen.
7 zeigt die Beziehung zwischen Schaltungsgröße und Anzahl von Stufen der Konfigurationen von der hiesigen und der konventionellen Schaltung in Gitterform. Die Schaltungsgrößen beider Schaltungen in Gitterform erhöhen sich linear mit der Anzahl der Stufen, aber die Schaltung in Gitterform nach der vorliegenden Erfindung hat eine geringere Anstiegsrate. Die Schaltung in Gitterform nach der vorliegenden Erfindung hat eine halb so kleine Schaltungsgröße, womit aufgezeigt ist, daß sie bezüglich der Miniaturisierung effektiv ist.
8 ist ein Diagramm, das die Verteilung von Optokopplern für die Konfigurationen der vorliegenden und der herkömmlichen Schaltung in Gitterform zeigt. Die Koppler nach der vorliegenden Erfindung haben eine geringere Verteilung als herkömmliche Koppler, und somit läßt sich erwarten, daß sie nachteiligen Einwirkungen bezüglich Herstellungsfehlern resistent sind.
9 ist ein Diagramm, das die Verteilung der Verzögerungsschaltungen für die Konfigurationen der vorliegenden und der herkömmlichen Schaltung in Gitterform zeigt. Hinsichtlich der Koppler haben die Verzögerungsschaltungen nach der vorliegenden Erfindung eine geringere Verteilung als die herkömmlichen Verzögerungsschaltungen, und somit ist zu erwarten, daß sie den nachteiligen Auswirkungen gegenüber Herstellungsfehlern widerstehen.
Die nachteiligen Wirkungen der Herstellungsfehler in Schaltungsparametern bezüglich der optischen Eigenschaften der Schaltungen in Gitterform sind signifikant, wie in 7 des Dokuments "Synthesis of coherent two-part lattice-form optical delay-line circuit", K. Jinguji und M. Kawachi, IEEE Journal of Lightwave Technol., Ausgabe 13, Nr. 1, Seiten 73–82, 1995. Bei der Schaltung in Gitterform nach der vorliegenden Erfindung ist zu erwarten, daß sie den nachteiligen Auswirkungen von Herstellungsfehlern widersteht und der Herstellungsdurchsatz der Schaltung verbessert wird.
Erstes Ausführungsbeispiel
10A bis 10E zeigen ein Herstellungsverfahren eines Wellenleiters nach der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird eine Auftragung durch Flammenhydrolyse angewandt, um ein Siliziumsubstrat 1001 unter Beschichtungsglasruß 1002, das sich hauptsächlich aus SiO₂ zusammensetzt, und einem Kernglasruß 1003, das sich hauptsächlich aus SiO₂ zusammensetzt, dotiert mit GeO₂, (10A) aufzutragen.
Danach wird das Glas bei 1000°C oder höher verflüssigt. Zur selben Zeit wird das Glas so aufgetragen, daß unter der Bedeckungsglasschicht 1004 eine Stärke von 30 μm und beim Kernglas 1005 eine Stärke von 7 μm ergibt (10B).
Danach wird eine Ätzmaske auf dem Kernglas 1005 unter Verwendung photolithographischer Technik gebildet (10C). Dann wird das Kernglas 1005 durch reaktives Ionenätzen gemustert (10D).
Die Ätzmaske 1006 wird entfernt, und ein oberes Beschichtungsglas 1007 wird durch Flammenhydrolysenauftragung erneut gebildet. Das obere Bedeckungsglas 1007 ist dotiert mit B₂O₃ oder P₂O₅. Glasübertragungstemperatur wird reduziert, so daß die obere Bedeckungsschicht 1007 in nahe Spalte im Kernglas 1005 eindringt (10E).
11A zeigt den Schaltungsaufbau eines Verschachtelungsfilters, das ein erstes Ausführungsbeispiel bildet. 11B zeigt die Übertragungseigenschaften des Verschachtelungsfilters. Das Verschachtelungsfilter ist aufgebaut aus zwei Verzögerungsschaltungen ΔL und 2ΔL und hat die Funktion des Demultiplexens von wellenlängenmultiplexen Lichtsignalen in geradzahlige oder ungeradzahlige Kanäle.
11B zeigt Gruppendemultiplexvorgänge, das heißt, zeigt, daß optische Signale aus zwei Ausgangsports abwechselnd zu einer Periode von 100 GHz dem Demultiplexverfahren unterzogen werden.
12 zeigt den Schaltungsaufbau einer Schaltung in Gitterform nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Um die Übersprecheigenschaft zu verbessern, sind zwei Verschachtelungsfilter vorgesehen, wie das zuvor beschriebene. Die Schaltung in Gitterform setzt sich zusammen aus Verzögerungsschaltungen 1201a und 1201b der ersten Stufe des Verschachtelungsfilters, Optokopplern 1202a, 1202b und 1202c des Verschachtelungsfilters der ersten Stufe, Verzögerungsschaltungen 1203a und 1203b und Optokopplern 1204a, 1204b und 1204c eines Verschachtelungsfilters der zweiten Stufe, wodurch ungeradzahlige Kanalsignale übertragen werden, und Verzögerungsschaltungen 1205a und 1205b sowie Optokoppler 1206a, 1206b und 1206c der zweiten Stufe des Verschachtelungsfilters, durch das geradzahlige Kanalsignale übertragen werden.
Eine der Spiralen setzt sich zusammen aus einer Schaltung in Gitterform (optische Koppler 1202a bis 1202c und Verzögerungsschaltungen 1201a und 1201b). Die andere Spirale setzt sich zusammen aus einer zweiten Schaltung in Gitterform (Optokoppler 1204c bis 1204a und Verzögerungsschaltungen 1203b und 1203a) sowie einer dritten Schaltung in Gitterform (Optokoppler 1206c bis 1206a und Verzögerungsschaltungen 1205b und 1205a). Ein Ausgangswellenleiter der ersten Schaltung in Gitterform ist verbunden mit den Eingangswellenleitern der zweiten und dritten Schaltung in Gitterform.
13 zeigt das Schaltungslayout einer Schaltung in Gitterform gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung in Gitterform setzt sich zusammen aus Verzögerungsschaltungen 1301a und 1301b sowie Optokopplern 1302a, 1302b und 1302c eines Verschachtelungsfilters der ersten Stufe, Verzögerungsschaltungen 1303a und 1303b sowie Optokopplern 1304a, 1304b und 1304c und einem Verschachtelungsfilter der zweiten Stufe, durch das ungeradzahlige Kanalsignale übertragen werden, und Verzögerungsschaltungen 1305a und 1305b sowie Optokoppler 1306a, 1306b und 1306c des Verschachtelungsfilters der zweiten Stufe, wodurch geradzahlige Kanalsignale übertragen werden.
14 zeigt die Übertragungseigenschaft einer Schaltung nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Dieses Verschachtelungsfilter zeigt gute optische Eigenschaften, einschließlich eines Übersprechens von –30 dB oder weniger und einem Durchgangsverlust von 2 dB oder weniger bei einer Frequenz von 100 GHz.
Zweites Ausführungsbeispiel
15 zeigt die Konfiguration einer Schaltung in Gitterform nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der Schaltung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Gruppendemultiplexkanalintervall des Verschachtelungsfilters der zweiten Stufe nach dem ersten Ausführungsbeispiel auf das Doppelte derjenigen der ersten Stufe des Verschachtelungsfilters eingestellt, um eine 4-Kanal-Demultiplexschaltung bereitzustellen. Die ganze Schaltung ist so ausgelegt, daß die Verzögerungsschaltungen der zweiten Stufe optische Weglängendifferenzen Δ1/2 und ΔL haben, welches die Hälfte jener der Verzögerungsschaltungen der ersten Stufe Δ1 und 2ΔL sind.
Die Schaltung in Gitterform setzt sich zusammen aus Verzögerungsschaltungen 1501a und 1501b sowie Optokopplern 1502a, 1502b und 1502c eines Verschachtelungsfilters der ersten Stufe, Verzögerungsschaltungen 1503a und 1503b sowie Optokopplern 1504a, 1504b und 1504c eines Verschachtelungsfilters der zweiten Stufe, wodurch ungeradzahlige Kanäle übertragen werden, sowie Verzögerungsschaltungen 1505a und 1505b und Optokoppler 1506a, 1506b und 1506c des Verschachtelungsfilters der zweiten Stufe, wodurch die geradzahligen Kanäle übertragen werden.
16 zeigt das Layout einer Schaltung in Gitterform nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Diese Figur zeigt, wie die Verzögerungsschaltungen optische Koppler sind, die miteinander verbunden sind. Die Schaltung in Verschachtelungsform setzt sich zusammen aus Verzögerungsschaltungen 1601a und 1601b und Optokopplern 1602a, 1602b und 1602c des Verschachtelungsfilters der ersten Stufe, Verzögerungsschaltungen 1603a und 1603b sowie Optokopplern 1604a, 1604b und 1604c eines Verschachtelungsfilters der zweiten Stufe, wodurch ungeradzahlige Kanalsignale übertragen werden, und Verzögerungsschaltungen 1605a und 1605b sowie Optokoppler 1606a, 1606b und 1606c des Verschachtelungsfilters der zweiten Stufe, durch die geradzahlige Kanalsignale übertragen werden.
Die Übertragungseigenschaft der Schaltung in Gitterform nach dem zweiten Ausführungsbeispiel wird dargestellt. 17A zeigt die Übertragungskennlinie des Verschachtelungsfilters der ersten Stufe nach dem zweiten Ausführungsbeispiel. 17B und 17C zeigen die Übertragungseigenschaft des Verschachtelungsfilters der zweiten Stufe. 17D zeigt die Übertragungseigenschaft des gesamten Filters. Dieses Filter zeigt gute Spektraleigenschaften, einschließlich Übersprechen von –30 dB oder weniger und einen Verlust von 2 dB oder weniger bei einer Frequenz von 100 GHz.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen Schalten in Gitterform, bei denen die Anzahl optischer Koppler und Verzögerungsschaltungen gemeinsam auf einem Siliziumsubstrat unter Verwendung quarzbasierender Glaswellenleiter kaskadiert sind. Das oben beschriebene Prinzip der vorliegenden Erfindung ist anwendbar, selbst wenn die Wellenleiter aus Polyimid, Silikon, Halbleitern, LiNbO₃ oder dergleichen bestehen. Das Substrat ist außerdem nicht auf Silizium beschränkt.
Es erübrigt sich zu sagen, daß das Wesentliche der vorliegenden Erfindung ist, die Aufmerksamkeit auf die Schaltungsanordnung und die Spiralanordnung der Schaltung zu richten, um eine produktive Schaltung in Gitterform zu schaffen.
Optokoppler
Nachstehend beschrieben sind die Optokoppler, die in der Schaltung mit Gitterform verwendet werden. Die vorliegende Erfindung verwendet vier Richtkoppler. Ein möglicher Verlust der Richtkoppler ist sehr gering, ungeachtet von Fabrikationsfehlern oder Polarisation. Der gesamte Verlust kann in hinreichender Weise verringert werden. Die optischen Weglängendifferenzen zwischen den drei Bereichen zwischen den vier Richtkopplern sind in der Größenordnung der optischen Wellenlängen. Selbst wenn die Lichtwellenleiter ausgedehnt sind zum Erweitern der Bereitstellung optischer Wellenlängendifferenzen, ist das Intervall zwischen den optischen Wellenlängen gering. Damit wird die nachteilige Wirkung von Herstellungsfehlern hinreichend verringert, wie die Fluktuation im Wellenleitfilm bezüglich der optischen Weglängendifferenzen.
Eine optische Schaltung, die die Richtkoppler verwendet, ist allgemein dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigungsverhältnisse der Richtkoppler abhängig von Herstellfehlern oder Polarisation variieren. Mit der Konfiguration der Optokoppler nach der vorliegenden Erfindung kann das Verzweigungsverhältnis der gesamten optischen Schaltung nahe an den gewünschten Wert gebracht werden, ungeachtet der wechselweisen Abweichungen von optischen Richtkopplern. Der Grund dafür ist nachstehend beschrieben.
In einer optischen Schaltung, die vier Richtkoppler in deren Mitte hat, wird die optische Weglängendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Richtkoppler festgelegt mit ΔL1, die optische Weglängendifferenz dem zweiten und dem dritten Richtkoppler wird festgelegt mit ΔL2, und die optische Weglängendifferenz zwischen dem dritten und vierten Richtkoppler wird festgelegt mit ΔL3. Wenn dann angenommen wird, daß ΔL1 = –ΔL3 = ΔLc, dann wird das Verzweigungsverhältnis n des optischen Teil/Zusammensetzers in der nachstehend unter Wellenlänge λ gewonnenen Weise erzielt. η = 4c (1–c) cos2 (πΔL2/λ)
Das Verzweigungsverhältnis η bezieht sich auf die Leistungsrate des emittierten Lichts aus einem der Lichtwellenleiter als Ergebnis davon, was man Lichtkreuzung nennt, welches Licht auf den anderen Wellenleiter gelangt. Wenn in diesem Falle das Verzweigungsverhältnis in einem Richtkoppler festgelegt ist mit K, wird c folgendermaßen angegeben. c = 4k (1–k) cos2 (πΔLc/λ)
In der offengelegten Japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 11-344629 (1999) offenbarten optischen Teiler/Zusammensetzer ist ΔLc = ΔL2 = λ/4. In diesem Falle ist jedoch nur ΔLc = λ/4, und wird substituiert in der obigen Gleichung. η = (8K–24K2+32K3–16K4) cos2 (πΔL2/λ)
Das heißt, das Verzweigungsverhältnis vom Richtkoppler ist wie bestimmt gleich 0,5, und n wird folgendermaßen ausgedrückt: η = cos2 (πΔL2/λ)
Das Verzweigungsverhältnis läßt sich auf einen beliebigen Wert zwischen 0 und 1 bringen durch Ändern des benannten Wertes von ΔL2 unter der Annahme, daß ΔL1 = –ΔL3 = λ/4 ist. Das heißt, ΔL2, welches das Zielkoppelverhältnis x der gesamten Schaltung angibt, beträgt ΔL2 = ±λ·cos–1(√x)/π ± mλ (m = 0, 1, ...)
Das hier gewonnene Verzweigungsverhältnis η, wenn k um etwa 0,5 variiert wegen Herstellungsfehler, ist nachstehend erläutert. wenn das Verzweigungsverhältnis k eines jeden Richtkopplers 0,5 beträgt, sind die Differentiale der ersten, zweiten und dritten Ordnung folgendermaßen anzugeben: ∂η/ ∂k = {848k+96k2–64k3}cos2 (πΔL2/π) = 0 ∂η/ ∂k = {–48+192k+102k2}cos2 (πΔL2/π) = 0 ∂η/ ∂k = {192–384k}cos2 (πΔL2/π) = 0
Wie aus diesen Gleichungen ersichtlich, sind die Differentiale der ersten bis dritten Ordnung gleich 0, wenn k = 0,5 ist. Folglich kann η einen sehr stabilen Wert haben, selbst wenn k variiert. Wenn beispielsweise das Zielkoppelverhältnis x der gesamten Schaltung 0,25 ist, wird das Verzweigungsverhältnis η des Optokopplers nach der vorliegenden Erfindung zu 0,244, selbst wenn das Verteilverhältnis k des Richtkopplers 0,30 aufgrund von Herstellfehlern ist.
Das heißt, selbst wenn das Verzweigungsverhältnis eines jeden Richtkopplers, einschließlich dem optischen Teiler/Zusammensetzer fluktuiert, kann das gewünschte Verzweigungsverhältnis des gesamten Optokopplers sehr stabil erzielt werden nach der Konfiguration des Optokopplers gemäß der vorliegenden Erfindung. Optokoppler können bereitgestellt werden, die einen geringen Verlust aufweisen, und sind sehr stabil ungeachtet von Herstellfehlern oder einem Polarisationszustand für nicht nur das Verzweigungsverhältnis von 50 %, sondern auch für willkürlich andere Verzweigungsverhältnisse.
Die Verwendung von Segmentwellenleitern in einem Verzögerungsleitungsteil ist nachstehend beschrieben. Wenn der erste und der zweite Lichtwellenleiter einen gleichen effektiven Index hat, dann bereitet sich eine Lichtwellenlängendifferenz zwischen den Richtkopplern angeordneten beiden Lichtwellenleitern wenigstens bei einem der optischen Wellenleiter aus, der aus einem Verbindungswellenleiter zur physischen Bereitstellung einer Wellenlängendifferenz erstellt sein muß. Da ein möglicher Verlust der gesamten Schaltung und der Polarisationsabhängigkeit minimiert werden muß, ist es unmöglich, einen kleinen Radius der Krümmung vorzusehen, oder einen Wellenleiter, der im Reflektor integriert ist. Folglich muß ein moderater Verbindungswellenleiter verwendet werden, der einen Radius eines gewissen gegebenen Wertes oder einen größeren besitzt.
Sowohl im ersten als auch im zweiten Wellenleiter wird Licht aus dem Einfall auf den Richtkoppler in derselben Ausbreitungsrichtung emittiert. Eine lange optische Weglänge kann nicht sehr nahe am Richtkoppler bereitgestellt werden, weder gerade noch ein gekrümmter Wellenleiter lassen sich verwenden. Selbst wenn eine kleine Lichtwegwellendifferenz vorgesehen ist, ist die Gesamtlänge des Verzögerungsleitungsteils groß. Ein Lichtwellenleiter mit einem effektiven Index von 1,45 und einem zulässigen Krümmungsradius von 10 mm wird als Beispiel verwendet, um eine Lichtweglängendifferenz von 387,5 nm bereitzustellen (ein Viertel der Betriebswellenlänge von 1,55 μm), der Verzögerungsleitungsteil hat eine physische Länge von mehr als 1300 μm. Des weiteren hat die optische Schaltung 3 Verzögerungsteile, deren Gesamtlänge der Verzögerungsleitungen allein zwischen 2,6 und 5,3 mm liegt.
Wenn beide oder ein Teil des ersten oder zweiten Lichtwellenleiters aufgebaut ist aus einem Segmentwellenleiter, kann der wirksame Index variiert werden, abhängig vom Zustand der Segmente. Ein gekrümmter Wellenleiter ist folglich nicht immer erforderlich, um die optische Weglängendifferenz zwischen den beiden optischen Wellenleitern bereitzustellen, die zwischen den Richtkopplern vorgesehen sind.
Die Segmentstruktur muß in Hinsicht auf den Verlust und die Polarisationsabhängigkeit ausgewählt werden. Beispielsweise ist es bekannt, daß der Lichtwellenleiter einen effektiven Index von 1,45 besitzt und eine relative Brechungsindexdifferenz von 0,75 %, Verlust- und Polarisationsabhängigkeit sind gering, wenn die Segmentstruktur so ist, daß 5 μm Wellenleiterspalt im Intervall von 25 μm in Längsrichtung gebildet sind (beispielsweise T.Saida et al., "Silica-based 2 × 2 multimode interference coupler with arbitrary power splitting ratio", Electron Lett., 1999 (25), Seiten 2031–2033). Mit diesem Segmentwellenleiter wird die Gesamtlänge des Verzögerungsleitungsteils, erforderlich zur Bereitstellung einer Lichtweglängendifferenz von 387,5 nm, zu 180 μm oder weniger, und die Gesamtlänge der drei Verzögerungsleitungsteile in der optischen Schaltung sind 0,36 bis 1,8 mm.
Die Verwendung des Segmentwellenleiters in den Verzögerungsleitungsteilen ermöglicht es, die Gesamtlänge zu reduzieren, verglichen mit den Verzögerungsleitungsteilen, die sich nur aus den Lichtwellenleitern zusammensetzen, die einen einheitlichen effektiven Index haben. Dies reduziert in effektiver Weise die Chipgröße eines Dispersionsentzerrers, einschließlich einer großen Anzahl von Optokopplern gemäß der vorliegenden Erfindung, wodurch der Fertigungsdurchsatz erhöht wird, während die Kosten sinken.
18 ist ein Diagramm, das die Konfiguration der Optokoppler nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Lichtwellenleiter 1 und 2 nähern sich einander an vier Stellen an, um Optokoppler zu bilden. Die Lichtwellenleiter 1 und 2 zwischen den vier Richtkopplern 3 bis 6 sind so konfiguriert, daß sie optische Weglängendifferenzen haben, wie sie zuvor beschrieben sind. Die hergestellten Lichtwellenleiter hatten eine feste Breite und Höhe von 8×8 μm. Die Lichtwellenleiter hatten einen effektiven Index η 1,45067 bei der Wellenlänge von 1,55 μm. Die gekrümmten Wellenleiter hatten einen Krümmungsradius von etwa 10 mm. Um beabsichtigterweise die Richtkoppler voneinander abweichen zu lassen, wurden die Koppellängen der Richtleiter 3 bis 6 auf Werte zwischen 0 und 2000 μm bei einem Regelabstand von 100 μm gesetzt.
Der optische Wellenleiter zwischen den Richtkopplern 3 und 4 wurde so konfiguriert, daß sie 0,267 μm länger waren als der Lichtwellenleiter 2 dazwischen, so daß ersterer länger als letzterer um die optische Weglängendifferenz von λ/4 bei der Wellenlänge von 1,55 μm war. Der Lichtwellenleiter 2 setzte sich zusammen aus einem geraden Wellenleiter mit einer Länge von 1368,6 μm. Der Lichtwellenleiter 1 wurde gebildet aus vier gebogenen Wellenleitern mit einem Krümmungsradius von 10 mm und einem Mittenwinkel von 1,96°.
Der Lichtwellenleiter 1 zwischen den Richtkopplern 5 und 6 wurde so konfiguriert, daß er aktuell 0,267 μm kürzer als der Lichtwellenleiter 2 dazwischen war, so daß ersterer kürzer als letzterer um eine optische Weglängendifferenz von λ/4 der Wellenlänge bei 1,55 μm. Der Lichtwellenleiter 2 wurde gebildet aus vier gebogenen Wellenleitern mit einem Krümmungsradius von 10 mm und einem Mittenwinkel von 1,96°. Der Lichtwellenleiter 1 war aufgebaut aus einem geraden Wellenleiter mit einer Länge von 1368,6 μm.
Um den benannten Freiheitsgrad des Verzweigungsverhältnisses vom gesamten optischen Teiler/Zusammensetzer aufzuzeigen, wurden die benannten Werte vom Verzweigungsverhältnis x des gesamten optischen Teilers/Zusammensetzers zwischen 10 bis 90 % bei 10 Zuwachs gebracht. Mit dem Verzweigungsverhältnis x ist der Lichtwellenleiter 1 zwischen den Richtkopplern 4 und 5 aktuell länger als der Lichtwellenleiter 2 dazwischen um eine optischen Weglängendifferenz, die sich nach folgender Gleichung bei der Wellenlänge von 1,55 μm bestimmt:
Wenn das eingestellte Verzweigungsverhältnis x gleich 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 und 90 % ist, wird die Wellenlängendifferenz δ gleich 0,425, 0,377, 0,337, 0,301, 0,267, 0,233, 0,197, 0,158 beziehungsweise 0,109 μm. Wenn das Verzweigungsverhältnis beispielsweise 10 % beträgt, ist der Lichtwellenleiter 1 aufgebaut aus vier gekrümmten Wellenleitern mit einem Krümmungsradius von 10 mm und einem Mittenwinkel von 2,29°. Der Lichtwellenleiter 2 ist aufgebaut aus einem geraden Wellenleiter mit einer Länge von 1597,3 μm.
19 zeigt ein erstes Beispiel einer Testschaltung für den Optokoppler. Lichtwellenleiter 7 und 8 wurden verwendet, um einen Richtkoppler 9 zu bilden. Die benannten Werte des Verzweigungsverhältnisses wurden eingestellt zwischen 10 bis 90 % bei einem 10 %-igen Zuwachs. Für die eingestellten Verzweigungsverhältnisse 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 und 90 wurde die Koppellänge auf 434, 701, 919, 1117, 1306, 1495, 1693, 1911 und 2178 μm gebracht.
20 zeigt ein zweites Beispiel einer Testspaltung für den Optokoppler. Richtkoppler 12 und 13 wurden miteinander kaskadiert bezüglich der Wellenleiter, um ein Mach-Zehnder-Interferometer zu bilden. Die Wellenleiterlängendifferenz wurde gleichermaßen eingestellt auf 0,425, 0,377, 0,337, 0,301, 0,267, 0,233, 0,197, 0,158 beziehungsweise 0,109 μm.
Eine Photomaske wurde erzeugt, in die die Optokoppler, wie in 18 gezeigt, und die Testschaltungen für die in den 19 und 20 gezeigten Optokoppler ausgelegt waren. Diese Photomaske wurde zum Erzeugen von sechs Wafern verwendet. Zuerst wurden auf einem Siliziumsubstrat eine Siliziumdioxid-basierende untere Deckschicht und eine Kernschicht, dotiert mit GeO₂, durch Flamenhydrolyseauftragung gebildet. Dann wurde die oben beschriebene Photomaske verwendet zum Übertragen eines Wellenleitermusters auf die Kernschicht. Ein Kernmuster wurde dann durch reaktives Ionenätzen gebildet. Danach wurde eine obere Deckschicht durch Flamenhydrolyseauftragung gebildet, um einen vergrabenen Wellenleiter zu schaffen. Die relative Brechungsindexdifferenz zwischen der Deckschicht und der Kernschicht betrug 0,75 %.
Die Verzweigungsverhältnisse der erzeugten Optokoppler wurden bewertet unter Verwendung von Laserstrahlen aus einem externen wellenlängenvariablen Laser des externen Resonatortyps mit einer eingestellten Wellenlänge von 1,5 μm. Für die Bewertung wurden 1,55-μm-polarisationshaltende Lichtleitfasern für die Eingangsseite verwendet, wohingegen 1,55-μm-DSF (Dispersion Shifted Fibers) für die Ausgangseite verwendet wurden. Die übertragene Lichtleistung des optischen Teilers/Zusammensetzers wurde bewertet durch Angrenzen der Lichtleitfasern gegen die optische Schaltung über Anpaßöl.
Ein Verfahren zur Bewertung des Verzweigungsverhältnisses vom optischen Teiler/Zusammensetzer ist nachstehend anhand 18 beschrieben. Fällt Laserlicht auf den Lichtwellenleiter 1, wird die nachfolgend aus den Lichtwellenleitern 1 und 2 emittierte Lichtmenge gemessen. Wenn danach ein Laserlicht auf den Lichtwellenleiter 2 auftrifft, wird die nachfolgend aus den Lichtwellenleitern 1 und 2 emittierte Lichtmenge gemessen. Die gemessenen Werte werden dann in folgende Gleichung substituiert, um das Verzweigungsverhältnis zu bestimmen: η = 1/2{P12/(P11+P12)+P21/(P21+P22)}
Wobei P11 die Lichtmenge ist, die der Lichtwellenleiter 1 emittiert, wenn Laserlicht auf den Lichtwellenleiter 1 auftritt, P12 ist die Lichtmenge, die der Lichtwellenleiter 2 emittiert, wenn Laserlicht auf den Lichtwellenleiter 1 fällt, P21 ist die Lichtmenge, die der Lichtwellenleiter 1 emittiert, wenn Laserlicht auf den Lichtwellenleiter 2 fällt, P22 ist die Lichtmenge, die der Lichtwellenleiter 2 emittiert, wenn ein Laserstrahl auf den Lichtwellenleiter 2 fällt.
Der Verlust des optischen Teilers/Zusammensetzers wurde bewertet auf der Grundlage der Differenz zwischen der Summe der Lichtmengen, die die Lichtwellenleiter 1 und 2 emittieren, und dem Lichtpegel, der aufgenommen wird, wenn die Eingangs- und Ausgangslichtleitfasern direkt gegen die optische Schaltung angrenzen.
21 zeigt das Verzweigungsverhältnis der in 18 gezeigten Optokoppler für den TM- und TE-Modus. Mit der Konfiguration der Lichtwellenleiter nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurde der benannte Zielwert des Verzweigungsverhältnisses von 50 ±1 % in einem weiten Bereich der Koppellänge zwischen 900 und 1700 μm erzielt.
22 zeigt das Verzweigungsverhältnis der in 19 gezeigten Optokoppler für den TM- und TE-Modus. Mit der Konfiguration der Optokoppler des Mach-Zehnder-Interferometer-Typs wurde der benannte Zielwert des Verzweigungsverhältnisses von 50 ± 1 % in einem weiten Bereich der Koppellänge zwischen 1200 und 1400 μm erzielt.
23 zeigt das Verzweigungsverhältnis der in 20 gezeigten Optokoppler für den TM- und TE-Modus. Mit der Konfiguration von ausschließlich Richtkopplern wurde der benannte Zielwert des Verzweigungsverhältnisses von 50 ±1 % in einem weiten Bereich der Koppellänge zwischen 1298 und 1340 μm erreicht.
Für die Konfiguration von ausschließlich Richtkopplern sowie der Optokoppler des Mach-Zehnder-Interferometer-Typs war die Koppellängentoleranz, die dazu dient, das gewünschte Verzweigungsverhältnis von ±1 % zu erzielen, 420 μm beziehungsweise 200 μm. Für die Konfiguration von Optokopplern nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erhöhte sich die Toleranz auf 800 μm. Die Optokoppler nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind in signifikanter Weise effektiv beim Korrigieren der Abweichung der Richtkoppler, die leicht Herstellfehlern unterliegen, um das gewünschte Verzweigungsverhältnis mit hohem Produktionsdurchsatz zu erzielen.
24 zeigt die Polarisationsabhängigkeit von Optokopplern nach dem obigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Für die Konfiguration von Lichtwellenleitern war die Polarisationsabhängigkeit des Verzweigungsverhältnisses ±0,5 % innerhalb eines weiten Bereichs der Koppellänge zwischen 800 μm und 1700 μm.
25 zeigt die Polarisationsabhängigkeit des ersten Beispiels der Testschaltung. Mit der Testschaltung, die auf dem Mach-Zehnder-Interferometer basiert, wurde die Abhängigkeit in einen Bereich von 1200 bis 1400 μm beschränkt.
26 zeigt die Polarisationsabhängigkeit vom zweiten Ausführungsbeispiel der Testschaltung. Für die Konfiguration von ausschließlich Richtkopplern ist die Polarisationsabhängig sehr bedeutsam; sie beträgt 0,8 %, wenn das Zielverzweigungsverhältnis 10 % beträgt, und wird zu 3,8 %, wenn das Zielverzweigungsverhältnis 70 % ist.
Die Konfiguration von Lichtwellenleitern nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat eine große Koppellängentoleranz, die dazu dient, Optokoppler mit geringer Polarisationsabhängigkeit zu schaffen. Diese Konfiguration ist solchermaßen effektiv beim Erzielen von Optokopplern mit einem stabilen Verzweigungsverhältnis relativ zum Polarisationszustand.
Dieselbe Photomaske wurde verwendet zum Herstellen von sechs Wafern an unterschiedlichen Tagen. Die Wafer wurden bewertet zum Bestimmen, wie die Verzweigungsverhältnisse der Optokoppler vom gewünschten Zielwert abweichen. Es wurde bestimmt, wie das Verzweigungsverhältnis und die Polarisationsabhängigkeit unter den sechs Wafern variierten.
27 zeigt die Verzweigungsverhältnisse von sechs Wafern für das zweite Beispiel der Testschaltung. Eine Schaltung wurde ausschließlich für Richtkoppler mit dem Zielwert aufgebaut, der zwischen 10 und 90 % variiert. Die Verzweigungsverhältnisse der Richtkoppler sind nicht in der Weise stabil, daß das Verzweigungsverhältnis entsprechend dem Wafer variiert. Die größte Abweichung nach oben vom Zielverzweigungsverhältnis beträgt 13 %.
28 zeigt die Polarisationsabhängigkeit von sechs Wafern für das zweite Beispiel der Testschaltung. Die Polarisationsabhängigkeit vom Verzweigungsverhältnis ist markiert und liegt zwischen etwa 1 % und etwa 4 %. Für alle Optokoppler mit einem Zielverzweigungsverhältnis von 30 bis 80 ist die Polarisationsabhängigkeit insbesondere gleich oder höher als 2%.
29 ist ein Diagramm, das die Verzweigungsverhältnisse von sechs Wafern für das erste Beispiel der Testschaltung zeigt. Diese Figur zeigt die Verzweigungsverhältnisse jener Optokoppler, die eine Mach-Zehnder-Interferometer-basierende Konfiguration haben, wobei Richtkoppler mit einer Koppellänge von 1300 μm verwendet werden. Alle Optokoppler, die sich von jenen mit der Wafernummer 4 unterscheiden, fallen in den Bereich des Zielwertes von ± 1,5 %. Einige der Optokoppler mit Wafernummer 4 weichen vom Zielwert um 5 % ab. Somit gibt es nur eine geringe Variation unter den Wafern.
30 ist ein Diagramm, das die Polarisationsabhängigkeit von sechs Wafern für das erste Beispiel der Testschaltung zeigt. Der schlechteste Wert der Polarisationsabhängigkeit vom Verzweigungsverhältnis ist groß, –3 %, womit aufgezeigt ist, daß es eine Variation in der Polarisationsabhängigkeit unter den Wafern gibt.
31 zeigt die Verzweigungsverhältnisse von sechs Wafern für die Optokoppler nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Diese Figur zeigt die Verzweigungsverhältnisse jener Optokoppler, die Richtkoppler verwenden mit einer Koppellänge von 1300 μm. Es gibt im wesentlichen keine Variationen im Optokoppler-Verzweigungsverhältnis unter den Wafern, womit aufgezeigt ist, daß das Zielverzweigungsverhältnis bei hohem Produktionsdurchsatz erzielt wird. Selbst die größte Abweichung für das Zielverzweigungsverhältnis beträgt weniger als 0,5 %.
32 zeigt die Polarisationsabhängigkeit von sechs Wafern für die Optokoppler nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Diese Figuren zeigen, daß die Polarisationsabhängigkeit vom Verzweigungsverhältnis in einer Größenordnung verbessert wurde. Der Optokoppler mit Wafernummer 4 zeigt eine leichte Polarisationsabhängigkeit. In Hinsicht auf Meßfehler oder dergleichen sind Optokoppler mit Polarisationsabhängigkeit nahe Null jedoch bei hohem Durchsatz hergestellt worden.
33 zeigt die Konfiguration eines CWDM-Verschachtelungsfilters (Coarse Wavelength Division Multiplexing Interleave Filter [grobes Wellenlängenmultiplex-Verschachtelungsfilter]), zusammengesetzt aus Optokopplern nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verschachtelungsfilter hat fünf Optokoppler 14 bis 18 und vier Verzögerungsleitungsteile, die jeweils zwischen den Optokopplern vorgesehen sind. Die vier optischen Weglängendifferenzen wurden sequentiell eingestellt auf 60,8, –121,7, –122,4 und –122,4 μm. Die verwendeten Wellenleiter hatten aktuell einen effektiven Index von 1,45, so daß die Wellenleiterlängendifferenzen auf 41,9, –83,9, –84,4 und –84,4 μm gebracht wurden. Die Verzweigungsverhältnisse der Optokoppler 14 bis 18 wurden eingestellt auf 50, 14,3, 31,3, 6,7 und 0,6 %.
34 zeigt die Konfiguration von Optokopplern unter Verwendung von Segmentwellenleitern nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Lichtwellenleiter 19 und 20 wurden gebildet zur Annäherung an einander bei vier Stellen, um Richtkoppler zu bilden. Drei Verzögerungsleitungsteile wurden gebildet, so daß sich jeder von diesen zwischen den Richtkopplern befand. Die Verzögerungsleitungsteile waren zusammengesetzt aus jeweiligen Segmentwellenleitern 21 bis 23. Die Segmentierung der Wellenleiter ist nachstehend beschrieben. Der Segmentwellenleiter war aufgebaut, um Spalten von etwa 5 μm Breite zu haben, die zu Intervallen von 25 μm in der Richtung gebildet wurden, in der sich das Licht ausbreitet. Wenn diese Intervalle gleichermaßen in einen Extraabstand resultierten in Verbindung mit den gewünschten optischen Weglängendifferenzen, wurden Spalten mit einer Breite von weniger als 5 μm an den jeweiligen Enden des Segmentwellenleiterabschnitts zur Justage gebildet. Die Chipgröße vom gesamten Verschachtelungsfilter betrug 55,5 mm in der Länge und 12,5 mm in der Breite. Das Chip hatte eine Fläche von etwa 700 mm², und sechs Chips konnten auf einem 4-Inch-Wafer angeordnet werden.
Zum Vergleich wurde ein Verschachtelungsfilter mit einer Konfiguration hergestellt, die derjenigen des zuvor beschriebenen Verschachtelungsfilters ähnelt, unter Verwendung von Optokopplern, die unter Verwendung von Wellenleitern mit einem einheitlichen effektiven Index anstelle von Segmentwellenleitern hergestellt wurden. Die Verzweigungsverhältnisse der fünf Optokoppler und der vier optischen Weglängendifferenzen hatten dieselben Werte wie jene des oben beschriebenen Filters. Die optischen Weglängendifferenzen von einer Wellenlängenreihenfolge, die in den Optokopplern vorgesehen ist, wurden bereitgestellt unter Verwendung einer Kombination gerader und gekrümmter Wellenleiter. Die Chipgröße des gesamten Verschachtelungsfilters betrug 70,5 mm in der Länge und 16,5 mm in der Breite. Das Chip hatte eine Fläche von etwa 1200 mm², und drei Chips konnten auf einem 4-Inch-Wafer angeordnet werden.
35 zeigt das Übertragungsspektrum eines Verschachtelungsfilters, das aufgebaut ist aus den Optokopplern unter Verwendung der Segmentwellenleiter nach diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 36 zeigt die Übertragungsspektren eines Verschachtelungsfilters, das aufgebaut ist aus Optokopplern unter Verwendung von Wellenleitern mit einem einheitlichen effektiven Index. Die Optokoppler unter Verwendung der Segmentwellenleiter hatten einen Einfügeverlust von etwa 0,4 dB mehr als diejenigen der Optokoppler, die Wellenleiter mit einheitlichem effektiven Index verwenden. Dies liegt daran, daß im Segmentwellenleiterabschnitt ein geringer Verlust auftritt.
Beide Verschachtelungsfilter hatten ein hohes optisches Übersprechen von 25 dB oder mehr. Für beide Verschachtelungsfilter wurde des weiteren im wesentlichen keine Polarisationsabhängigkeit in Übertragungsspektren festgestellt. Dies liegt daran, daß beide Verschachtelungsfilter Optokoppler verwenden, die in der in 18 gezeigten Weise konfiguriert sind, so daß die Verzweigungsverhältnisse der Optokoppler in jedem Verschachtelungsfilter genau die bestimmten Werte beibehalten.
Die Verwendung von Optokopplern, die Segmentwellenleiter verwenden, diente der Verringerung der Chipgröße vom CWDM-Verschachtelungschip um etwa 60 %, wodurch der Durchsatz vom selben Wafer trotz eines geringen Anstiegs beim Einfügungsverlust (0,4 dB) verdoppelt wurde. Die Chipkosten vom Lichtwellenleitfilter sind im wesentlichen umgekehrt proportional zum Durchsatz eines Wafers. Folglich sind Optokoppler, die Segmentwellenleiter verwenden, effektiv beim Verringern die Chipkosten vom CWDM-Verschachtelungsfilter um die Hälfte.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die Optokoppler unter Verwendung von Siliziumdioxid-basierenden Wellenleitern hergestellt. Die Halbleiterwellenleiter, die aus InP hergestellt sind, können jedoch auch verwendet werden, oder Wellenleiter können hergestellt werden unter Verwendung eines organischen Materials, wie Polymer, oder anorganischem Material, wie LiNbO₃. In diesem Ausführungsbeispiel werden jedoch weiterhin die vergrabenen Wellenleiter mit einem Rechteckquerschnitt verwendet. Gleiche Wirkungen können unter Verwendung diffundierter Wellenleiter erzielt werden.
Die Segmentwellenleiter in diesem Ausführungsbeispiel sind so aufgebaut, daß sie Spalten von 5 μm Breite haben, die zu Intervallen von 25 μm in Ausbreitungsrichtung des Lichts gebildet sind. Die Wellenleiter können eine strukturelle Änderung der Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts haben. Beispielsweise können in alternative Weise die Wellenleiter so aufgebaut sein, daß der Kern wie ein Zickzack-Gitter aufgebaut ist. Alternativ können ähnliche Wirkungen durch Segmentieren von Lichtwellenleitern unterschiedlicher Materialien mit jeweiligen Brechungsindizes geschaffen werden.

Claims

Lichtsignalverarbeitungsschaltung vom Wellenleitertyp mit gitterförmigen Schaltungen, die jeweils über Optokoppler (301a – 301e) und über Verzögerungsschaltungen (302a – 302d) verfügen, die abwechselnd unter Verwendung von Lichtwellenleitern in Kaskade geschaltet sind, die aufgebaut sind aus einem Leiter, der aus einem Substrat besteht, das Signallicht führt, und einem Mantel, der um den Leiter angeordnet ist und einen geringeren Brechungsindex als der Leiter aufweist, wobei die Verzögerungsschaltung (302a – 302d) verbunden ist mit dem zugehörenden Optokoppler (301a – 301e) und aufgebaut ist aus einem Wellenleiter mit zwei Armen, wobei die gitterförmige Schaltung über einen Eingangswellenleiter (303) verfügt, der mit einem vorderen Optokoppler (301a) und einem Ausgangswellenleiter (304) verbunden ist, der an einen hinteren Optokoppler (301e) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Serien der gitterförmigen Schaltungen in einer Form angeordnet sind, in der zwei Spiralen auf dem Substrat kombiniert sind, damit sie sich nicht zu kreuzen und in der Mitte miteinander gekoppelt sind (305), die optischen Wellenleiter, die jeweils zwei Arme haben, so angeordnet sind, daß sie sich halbwegs um die jeweiligen Spiralen erstrecken, ein Ende des Wellenleiters, das nicht mit dem vorderen Optokoppler (301a) verbunden ist, und ein Ende des Lichtwellenleiters, der nicht mit dem hinteren Optokoppler (301e) verbunden ist, sich aus den Spiralen nach außen heraus erstrecken, jeder der Optokoppler einen ersten und einen zweiten Wellenleiter (1, 2) und vier Richtkoppler (3–6) besitzt, die gebildet sind durch eine enge Aneinanderordnung vom ersten und zweiten Lichtwellenleiter (1, 2), wobei die Optokoppler (3–6) so aufgebaut sind, daß sie Signallicht mit einer Wellenlänge λ koppeln, welches auf den ersten und den zweiten Lichtwellenleiter (1, 2) fällt, oder ein Signallicht mit der Wellenlänge λ verzweigen, das auf den ersten oder zweiten Lichtwellenleiter (1, 2) auftrifft, und wobei jeder Optokoppler (3–6) so aufgebaut ist, daß für eine Lichtweglängendifferenz ΔL1 für den ersten und zweiten Lichtwellenleiter (1, 2) zwischen dem ersten und zweiten Richtkoppler (3, 4) in Hinsicht auf die Seite einfallenden Signallichts eine optische Weglängendifferenz ΔL2 für den ersten und zweiten Lichtwellenleiter (1, 2) zwischen dem zweiten und dritten Richtkoppler (4, 5) in Hinsicht auf die Einfallsseite des Signallichts und eine Lichtweglängendifferenz ΔL3 für den ersten und zweiten Lichtwellenleiter (1, 2) zwischen dem dritten und vierten Richtkoppler (5, 6) in Hinsicht auf die Einfallsseite des Signallichts ΔL1 = –ΔL3 = λ/4 und |ΔL2| < 2λ ist; und wobei zwei der Optokoppler, die sich an jeweiligen Enden einer Verzögerungsschaltung befinden, einander gegenüberliegend über der Mitte der Spiralen angeordnet sind und wobei sich alle Optokoppler in einer Reihe befinden.
Lichtsignalverarbeitungsschaltung vom Wellenleitertyp nach Anspruch 1, bei der eine der beiden Spiralen aufgebaut ist aus einem Eingangswellenleiter, einem Optokoppler und einer Verzögerungsschaltung, und die andere aufgebaut ist aus einem Ausgangswellenleiter.
Lichtsignalverarbeitungsschaltung vom Wellenleitertyp nach Anspruch 1, deren eine der beiden Spiralen ein Eingangswellenleiter ist und deren andere aus einem Optokoppler, einer Verzögerungsschaltung und einem Ausgangswellenleiter aufgebaut ist.
Lichtsignalverarbeitungsschaltung vom Wellenleitertyp nach Anspruch 1, bei der die beiden Spiralen aus einer ersten gitterförmigen Schaltung aufgebaut sind, während die andere aus einer zweiten und dritten gitterförmigen Schaltung aufgebaut ist, und bei der ein Ausgangswellenleiter der ersten gitterförmigen Schaltung mit dem Eingangsleiter der zweiten und dritten gitterförmigen Schaltung verbunden ist.
Lichtsignalverarbeitungsschaltung vom Wellenleitertyp nach Anspruch 1, bei der wenigstens der erste oder zweite Wellenleiter zwischen den Richtkopplern über einen Segmentwellenleiter verfügen, um so die Lichtweglängendifferenzen zu erzielen.