Integrierte Optik

Passive integriert optische Komponente

Passive integriert optische Komponenten sind planare Lichtwellenleiterstrukturen (PLWL, engl. PLC), in denen mehrere passive Wellenleiterfunktionen auf einem Chip monolithisch integriert sind. Solche Bauteile werden inzwischen in großen Stückzahlen in faseroptischen Übertragungssystemen (FTTH) eingesetzt. Die Funktion dieser Bauteile ist hauptsächlich die Verteilung der Lichtsignale von einer Übertragungsfaser auf viele Fasern bzw. deren Umkehrung. Solche Verzweiger, auch Splitter genannt, ermöglichen eine Baumstruktur, wie sie in den PON-Systemen (z. B. G-PON) benötigt werden. Heute sind monomodige Verzweiger 1×N und 2×N mit bis zu 64 Kanälen kommerziell erhältlich und sind im gesamten Übertragungsbereich der Standardtelekomfaser von 1260 bis 1650 nm einsetzbar.

Die am längsten bekannte und im Einsatz erprobte Technologie zur Herstellung von solchen Bauteilen beruht auf dem Ionenaustauschverfahren in Glas (Ken Koizumi, 1971). Dabei werden durch eine entsprechende photolithographisch erzeugte Metallmaske Natriumionen des Glases lokal begrenzt durch Silberionen ersetzt. Die Silberionen bewirken eine Brechzahlerhöhung in den durch die Maske vorgegebenen Bahnen und formen somit die Wellenleiterstruktur.

Bei diesem zunächst rein thermischen Ionenaustausch entstehen Oberflächenwellenleiter, deren Geometrie und Übertragungseigenschaften noch nicht den technologischen Anforderungen bezüglich Dämpfung und Umweltstabilität genügen. Dies erreicht man durch eine zweite im elektrischen Feld durchgeführte Diffusion, bei der man die oberflächennahen Silberionen mit Natriumionen aus einer Salzschmelze in das Glasinnere vergräbt. Die so erhaltenen Wellenleiter liegen ca. 15 Mikrometer unter der Glasoberfläche und zeigen ausgezeichnete Übertragungseigenschaften und Langzeitstabilität.^[1] In den OPAL-Netzen der Deutschen Telekom sind auf diese Art hergestellte Wellenleiter seit 1993 im Einsatz und weisen keinerlei Degenerationserscheinungen auf.^[2]. In Deutschland wurden solche Wellenleiterkomponenten von der Firma IOT (früheres Tochterunternehmen von Schott Glas und Carl Zeiss) im Rahmen eines von der deutschen Bundesregierung geförderten nationalen Forschungs- und Entwicklungsprojektes in den 1980er Jahren entwickelt und werden heute von der Firma LEONI Fiber Optics GmbH hergestellt.

Eine alternative Chiptechnologie basiert auf Abscheideverfahren von Quarzglas- bzw. dotierten Quarzglasschichten auf einem Substrat aus Silizium oder Quarzglas. Hierbei entstehen die Wellenleiterstrukturen durch Herausätzen aus einer höherbrechenden Schicht (z. B. einer germaniumdotierten Quarzglasschicht). Die so entstandenen Strukturen werden anschließend durch eine weitere Quarzglasschicht abgedeckt. Man bezeichnet auf solche Art hergestellten passiven Strukturen als „Silica on Silicon" oder „Silica on Silica"-Wellenleiter (SiOS). Wie die ionenausgetauschten Wellenleiter sind die SiOS-Wellenleiter ebenfalls dämpfungsarm und breitbandig. Allerdings weisen sie wegen der Schichtstruktur aus Materialien unterschiedlicher thermischer Ausdehnung eine deutlich höhere Polarisationsempfindlichkeit insbesondere bei schwankenden Temperaturen auf.

Durch Modifikation der Herstellparameter lassen sich auch andere Wellenleitereigenschaften entwickeln. Passive integriert optische Wellenleiterchips sind heute auch für Wellenlängenbereiche bis hinunter zu 600 nm möglich. Auch komplexere Strukturen wie Interferometer oder wellenlängenabhängige Funktionen können realisiert werden. Solche komplexeren optischen Chips sind für verschiedene Anwendungen wie Sensorik, Messtechnik, Diagnostik etc. von Interesse, weil Sie die Möglichkeit einer starken Miniaturisierung und einer erheblichen Kosteneinsparung durch Integration geben.

Luis Fernando Cantor Bueno

19135529

Ingenieria Electronica, Electronica De Estados Solidos

Seccion 2