DE10121462A1 - grid array - Google Patents
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Abstract
Die Gitteranordnung weist eine Mehrzahl von periodisch angeordneten Gitterelementen aus einem ersten Material auf, die in einen Füllkörper aus einem zweiten Material eingebettet sind. Das erste Material hat einen ersten thermooptischen Koeffizienten mit einem ersten Vorzeichen, und das zweite Material hat eine zweiten thermooptischen Koeffizienten mit einem zum ersten Vorzeichen entgegengesetzten zweiten Vorzeichen. Daher ändern sich die beiden Brechungsindizes der beiden Materialien mit der Temperatur entgegengesetzt.The grid arrangement has a plurality of periodically arranged grid elements made of a first material, which are embedded in a filler made of a second material. The first material has a first thermo-optical coefficient with a first sign, and the second material has a second thermo-optical coefficient with a second sign opposite to the first sign. Therefore, the two refractive indices of the two materials change with temperature in opposite directions.
Description
Die Erfindung betrifft eine Gitteranordnung.The invention relates to a grid arrangement.
Zur Manipulation elektromagnetischer Wellen sind Gitter mit einer Mehrzahl von beispielsweise länglichen, zueinander parallelen Gitterstreifen weitverbreitet. Ein Beispiel für ein Gitter ist das Bragg-Gitter.Grids are used to manipulate electromagnetic waves a plurality of, for example, elongated to each other parallel grid strips widely used. An example for a grid is the Bragg grid.
Bragg-Gitter werden zum Beispiel als Reflektoren für Laser, insbesondere Halbleiterlaser, als optische Filter, als Dispersionskompensatoren und als ADD/DROP-Multiplexer verwendet.Bragg gratings are used, for example, as reflectors for lasers, especially semiconductor lasers, as optical filters, as Dispersion compensators and as ADD / DROP multiplexers used.
Ein typisches Bragg-Gitter weist beispielsweise eine Mehrzahl von in einer ersten Richtung periodisch, mit einer Gitterkonstante von Λ angeordneten länglichen Gitterstreifen aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex auf. Die Gitterstreifen sind untereinander parallel und bezüglich der ersten Richtung senkrecht angeordnet. Zwischen benachbarten Gitterstreifen vorhandene Zwischenräume sind mit einem Füllkörper aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex gefüllt.A typical Bragg grating has a plurality, for example from periodically in a first direction, with a Lattice constant of Λ arranged elongated lattice stripes from a first material with a first refractive index on. The grid strips are parallel to each other and arranged perpendicular to the first direction. Between Gaps between adjacent grid strips are included a packing made of a second material with a second Refractive index filled.
Das Bragg-Gitter wirkt als Reflexionsgitter für elektromagnetische Wellen. In der ersten Richtung auf das Bragg-Gitter einfallende elektromagnetische Wellen werden an jedem Gitterstreifen teilweise reflektiert und teilweise transmittiert. In Folge breitet sich i. a. ein Teil der elektromagnetischen Wellen in die erste Richtung aus, und ein Teil der elektromagnetischen Wellen wird in die zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung zurückreflektiert. An unterschiedlichen Gitterstreifen reflektierte Anteile der elektromagnetischen Wellen überlagern sich dabei. Ebenso überlagern sich unterschiedliche transmittierte Wellenanteile. Wenn der Gangunterschied der elektromagnetischen Welle zwischen zwei benachbarten Gitterstreifen gleich (2n + 1) mal der Wellenlänge λ der elektromagnetischen Wellen ist, wobei n eine ganze Zahl ist, interferieren die sich in die erste Richtung ausbreitenden Wellen destruktiv, so dass elektromagnetische Wellen mit der Wellenlänge λ vollständig zurückreflektiert werden (Bragg- Bedingung).The Bragg grating acts as a reflection grating for electromagnetic waves. In the first direction on that Bragg grating incident electromagnetic waves each grid strip partially reflected and partially transmitted. As a result, i. a. a part of electromagnetic waves in the first direction, and a Part of the electromagnetic waves becomes the first Reflected back in the opposite direction. On different grid stripes reflected portions of the electromagnetic waves overlap. As well different transmitted overlap Wave components. If the path difference of the electromagnetic wave between two neighboring Grating strips equal to (2n + 1) times the wavelength λ of the is electromagnetic waves, where n is an integer, interfere with those spreading in the first direction Waves destructive so that electromagnetic waves with the Wavelength λ are completely reflected back (Bragg- Condition).
Für ein Bragg-Gitter mit infinitesimal schmalen
Gitterstreifen, die aus einem ersten Material mit einem
ersten Brechungsindex ns gefertigt sind, die eine
Gitterperiode Λ aufweisen, und die in einem Füllkörper aus
einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex nf
angeordnet sind, lautet die Bragg-Bedingung, mit der
Wellenzahl k = 2Π/λ für die erste Beugungsordnung:
For a Bragg grating with infinitesimally narrow grating strips that are made of a first material with a first refractive index n s , that have a grating period Λ, and that are arranged in a packing made of a second material with a second refractive index n f Bragg condition, with the wave number k = 2Π / λ for the first diffraction order:
Λ k neff(ns, nf, . . .) = Π (1)Λ kn eff (n s , n f ,...) = Π (1)
Hierbei ist λ die Wellenlänge der auf das Bragg-Gitter fallenden elektromagnetischen Wellen und nett ein mittlerer effektiver Brechungsindex des gesamten Bragg-Gitters, der sich aus den einzelnen Brechungsindizes ns, nf zusammensetzt, und der zusätzlich von anderen Faktoren wie der Geometrie des Bragg-Gitters abhängt, und der über das gesamte Bragg-Gitter gemittelt ist.Here λ is the wavelength of the electromagnetic waves falling on the Bragg grating and nicely an average effective refractive index of the entire Bragg grating, which is composed of the individual refractive indices n s , n f , and additionally from other factors such as the geometry of the Bragg Grid depends, and which is averaged over the entire Bragg grid.
Eine elektromagnetische Welle, die für das Bragg-Gitter die Bragg-Bedingung Gleichung (1) erfüllt, wird an dem Gitter in die zu ihrer Einfallsrichtung entgegengesetzte Richtung zurückreflektiert.An electromagnetic wave for the Bragg grating Bragg condition equation (1) is met on the grid in the direction opposite to their direction of incidence reflected back.
Für ein realistisches Bragg-Gitter ist zusätzlich die endliche Breite der Gitterstreifen zu berücksichtigen.For a realistic Bragg grating there is also the to take into account the finite width of the grid strips.
Die Brechungsindizes ns, nf sind in der Regel temperaturabhängig. Zusätzlich ändert sich mit der Temperatur in der Regel auch die Geometrie des Bragg-Gitters. Damit ist im allgemeinen auch neff temperaturabhängig. Folglich ist im allgemeinen auch das durch die Bragg-Bedingung Gleichung (1) dargestellte Übertragungsverhalten des Bragg-Gitters, d. h. insbesondere das Transmissions- und Reflexionsvermögen des Bragg-Gitters, temperaturabhängig.The refractive indices n s , n f are generally temperature-dependent. In addition, the geometry of the Bragg grid usually changes with the temperature. This means that n eff is generally temperature-dependent. Consequently, the transmission behavior of the Bragg grating represented by the Bragg condition equation (1), ie in particular the transmission and reflectivity of the Bragg grating, is also temperature-dependent.
Die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex n eines Materials lässt sich mittels des thermooptischen Koeffizienten α(n)= 1/n dn/dT des Materials beschreiben, der die relative Änderung von n mit der Temperatur beschreibt.The temperature dependence of the refractive index n of a material can be described by means of the thermo-optical coefficient α (n) = 1 / n dn / dT of the material, which describes the relative change of n with temperature.
Die Temperaturabhängigkeit der Bragg-Bedingung Gleichung (1) lässt sich für ein realistisches Bragg-Gitter mit endlich breiten Gitterstreifen wie folgt näherungsweise explizit darstellen.The temperature dependence of the Bragg condition equation (1) can finally be used for a realistic Bragg grid broad grid stripes approximately explicitly as follows represent.
Betrachtet wird ein Bragg-Gitter mit einer
temperaturabhängigen Periode Λ(T), einem temperaturabhängigen
Abstand benachbarter Gitterstreifen von γΛ(T) und einer
temperaturabhängigen Breite der Gitterstreifen von (1 - γ)Λ(T),
wobei Λ eine Zahl zwischen Null und eins ist. Die
Gitterstreifen sind aus einem ersten Material mit einem
temperaturabhängigen ersten Brechungsindex ns(T) gefertigt.
Zwischen den Gitterstreifen verbliebene Räume sind mit einem
Füllkörper aus einem zweiten Material mit einem
temperaturabhängigen zweiten Brechungsindex nf(T) gefüllt.
In der Nähe einer vorbestimmten Temperatur T0 gilt dann für
elektromagnetische Wellen, die in der ersten Richtung, d. h.
insbesondere senkrecht zu den Gitterstreifen, auf das Bragg-
Gitter einfallen für die erste Beugungsordnung näherungsweise
die genäherte temperaturabhängige Bragg-Bedingung:
A Bragg grating with a temperature-dependent period Λ (T), a temperature-dependent distance between adjacent grating strips of γΛ (T) and a temperature-dependent width of the grating strips of (1 - γ) Λ (T), where Λ is a number between zero and one is. The grating strips are made of a first material with a temperature-dependent first refractive index n s (T). Spaces remaining between the grating strips are filled with a packing made of a second material with a temperature-dependent second refractive index n f (T). In the vicinity of a predetermined temperature T 0 , the approximate temperature-dependent Bragg condition then approximately applies to electromagnetic waves which strike the Bragg grating in the first direction, ie in particular perpendicular to the grating strips:
γ k0ns(T0)Λ(T0)(1 + αs (n)dT)(1 + αs(L)dT) +
(1 - γ) k0nf(T0)Λ(T0)(1 + αf (n)dT)(1 + αs (L)dT) = n.1 (2)
γ k 0 n s (T 0 ) Λ (T 0 ) (1 + α s (n) dT) (1 + α s (L) dT) + (1 - γ) k 0 n f (T 0 ) Λ ( T 0 ) (1 + α f (n) dT) (1 + α s (L) dT) = n.1 (2)
wobei
K0= 2Π/λ0 die Vakuum-Wellenzahl der elektromagnetischen
Welle ist (λ0 = Vakuum-Wellenlänge),
ns(T0) der Brechungsindex des ersten Materials bei der
Temperatur T0 ist,
αs (n) = 1/ns dns/dT der thermooptische Koeffizient des ersten
Materials, d. h. die relative Änderung des Brechungsindex ns
mit der Temperatur, ist,
αs (L) = 1/L dL/dT die relative Ausdehnung des ersten Materials
mit der Temperatur ist,
nf(T0) der Brechungsindex des zweiten Materials bei der
Temperatur T0 ist und
αf (n) = 1/nf dnf/dT der thermooptische Koeffizient des zweiten
Materials, d. h. die relative Änderung des Brechungsindex nf
mit der Temperatur, ist.in which
K 0 = 2Π / λ 0 is the vacuum wave number of the electromagnetic wave (λ 0 = vacuum wavelength),
n s (T 0 ) is the refractive index of the first material at temperature T 0 ,
α s (n) = 1 / n s dn s / dT is the thermo-optical coefficient of the first material, ie the relative change in the refractive index n s with temperature,
α s (L) = 1 / L dL / dT is the relative expansion of the first material with temperature,
n f (T 0 ) is the refractive index of the second material at temperature T 0 and
α f (n) = 1 / n f dn f / dT is the thermo-optical coefficient of the second material, ie the relative change in the refractive index n f with temperature.
Hierbei wurde angenommen, dass der Füllkörper aus einem elastisch verformbaren Material gefertigt ist. Dadurch wird, wenn sich aufgrund einer Temperaturänderung im Bereich des Bragg-Gitters die Gitterstreifen thermisch bedingt ausdehnen oder zusammenziehen, die Ausdehnung oder Kontraktion der Gitterstreifen durch den Füllkörper ausgeglichen, so dass die Abmessung des gesamten Bragg-Gitters in der ersten Richtung annähernd temperaturunabhängig ist.It was assumed here that the packing consists of a elastically deformable material is made. This will if due to a temperature change in the range of Bragg-Grid thermally expand the grid strips or contract, the expansion or contraction of the Grid strips balanced by the packing, so that the Dimension of the entire Bragg grating in the first direction is almost independent of temperature.
Im allgemeinen ändern sich die unterschiedlichen temperaturabhängigen Größen in Gleichung (1) in unterschiedlicher Weise mit der Temperatur, so dass für ein bestimmtes Bragg-Gitter das Übertragungsverhalten des Bragg- Gitters i. a. temperaturabhängig ist. Insbesondere ist i. a. die Wellenlänge der reflektierten und der transmittierten elektromagnetischen Strahlung temperaturabhängig.In general, the different ones change temperature dependent quantities in equation (1) in different ways with temperature so that for a certain Bragg grating the transmission behavior of the Bragg Grid i. a. is temperature dependent. In particular is i. a. the wavelength of the reflected and the transmitted electromagnetic radiation temperature dependent.
Um bei dem Bragg-Gitter ein Übertragungsverhalten zu erzielen, das von der Umgebungstemperatur unabhängig ist, werden beispielsweise Peltier-Kühler oder Heizungen verwendet, mit denen die Temperatur des Bragg-Gitters konstant gehalten wird. Peltier-Kühler und Heizungen werden ebenfalls für beliebige andere Gitteranordnungen verwendet.In order to have a transmission behavior with the Bragg grating achieve that is independent of the ambient temperature, become Peltier coolers or heaters used with which the temperature of the Bragg grating is kept constant. Peltier coolers and heaters also used for any other grid arrangement.
Aus [1] ist für Gitter, bei denen sich der Brechungsindex des Materials, aus dem die Gitterelemente gefertigt sind, und der Brechungsindex des Materials, mit dem die Zwischenräume zwischen benachbarten Gitterelementen gefüllt sind, nur wenig voneinander unterscheiden, beispielsweise für optische phasengesteuerte Anordnungen ("phased arrays"), ein mikromechanischer Aufbau bekannt, mit dem die Temperaturabhängigkeit des Übertragungsverhaltens der Gitteranordnung kompensiert wird, d. h. mit dem eine Temperaturkompensation des Wellengitters erzielt wird. Mittels der phasengesteuerten Anordnung werden bei multichromem Licht Komponenten unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedliche räumliche Bereiche abgelenkt, so dass eine spektrale Verteilung des Lichts in eine räumliche Verteilung des Lichts umgesetzt wird. Temperaturänderungen bei der phasengesteuerten Anordnung führen zu einer Änderung der räumlichen Verteilung. Mittels des mikromechanischen Aufbaus ist der Einkopplungspunkt, an dem das Licht in die phasengesteuerte Anordnung eingekoppelt wird, räumlich derart verschiebbar, dass, unabhängig von der Temperatur der phasengesteuerten Anordnung, stets die gleiche räumliche Verteilung der Komponenten unterschiedlicher Wellenlänge erzielt wird. Das Licht kann dabei beispielsweise mittels einer Glasfaser eingekoppelt werden. In diesem Fall wird mittels des mikromechanischen Aufbaus die Glasfaser verschoben. Damit eine zuverlässige Temperaturkompensation erzielt wird, muss der mikromechanische Aufbau hochpräzise gefertigt sein.From [1] is for gratings in which the refractive index of the Material from which the grid elements are made and the Refractive index of the material with which the gaps between adjacent grid elements, only a little differ from each other, for example for optical phased arrays known micromechanical structure with which the Temperature dependence of the transmission behavior of the Grid arrangement is compensated, d. H. with one Temperature compensation of the wave grid is achieved. By means of the phase-controlled arrangement at multichrome light components of different wavelengths distracted into different spatial areas, so that a spectral distribution of light into a spatial Distribution of light is implemented. temperature changes in the phased arrangement lead to a change the spatial distribution. By means of the micromechanical Construction is the coupling point at which the light enters the phase-controlled arrangement is coupled in spatially slidable that regardless of the temperature of the phase-controlled arrangement, always the same spatial Distribution of components of different wavelengths is achieved. The light can, for example, by means of a fiber optic. In this case the optical fiber by means of the micromechanical structure postponed. Reliable temperature compensation is achieved, the micromechanical structure must be highly precise be made.
Aus [2] ist eine Wellenleiteranordnung bekannt, bei der ein schichtförmiger Wellenleiter aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex mittels einer schichtförmigen Abdeckung, die aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex gefertigt ist und zu einer geeigneten Geometrie geformt ist, abgedeckt ist. Für das Übertragungsverhalten der Wellenleiteranordnung für elektromagnetische Wellen, z. B. für die Reflexions- und Transmissionseigenschaften, ist ein effektiver Brechungsindex maßgeblich, der durch den ersten Brechungsindex, den zweiten Brechungsindex und die Geometrie der Abdeckung bestimmt ist. Der zweite Brechungsindex und die Geometrie der Abdeckung sind so gewählt, dass der effektive Brechungsindex und damit das Übertragungsverhalten der Wellenleiteranordnung zumindest in einem vorbestimmten Temperaturbereich weitgehend temperaturunabhängig ist. Damit eine zuverlässige Temperaturabhängigkeit erzielt wird, ist dabei eine sorgfältige und meistens aufwändige Einstellung der Geometrie erforderlich.From [2] a waveguide arrangement is known in which a layered waveguide made of a first material a first refractive index by means of a layered Cover made from a second material with a second Refractive index is made and a suitable one Geometry is shaped, is covered. For the Transmission behavior of the waveguide arrangement for electromagnetic waves, e.g. B. for the reflection and Transmission properties, is an effective refractive index decisive, which by the first refractive index, the second Refractive index and the geometry of the cover is determined. The second refractive index and the geometry of the cover are chosen so that the effective refractive index and thus the transmission behavior of the waveguide arrangement at least largely in a predetermined temperature range is independent of temperature. So that a reliable Temperature dependence is achieved is one careful and mostly complex adjustment of the geometry required.
Photonische Kristalle weisen mehrdimensionale Gitterstrukturen auf, bei denen Gitterelemente in mehreren Richtungen periodisch angeordnet sind. Die Gitterelemente können in zwei oder in drei Richtungen periodisch angeordnet sein. Photonische Kristalle können ebenfalls zur Manipulation elektromagnetischer Wellen verwendet werden, beispielsweise, um Licht entlang eines vorbestimmten dreidimensionalen Musters zu leiten.Photonic crystals have multi-dimensional Lattice structures on which lattice elements in several Directions are arranged periodically. The grid elements can be arranged periodically in two or three directions his. Photonic crystals can also be used for manipulation electromagnetic waves are used, for example, to light along a predetermined three-dimensional Pattern.
Das Übertragungsverhalten, d. h. insbesondere das Transmissions- und Reflexionsvermögen, photonischer Kristalle sind in der Regel ebenfalls temperaturabhängig.The transmission behavior, i.e. H. especially that Transmission and reflectivity, photonic crystals are usually also temperature-dependent.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine einfache und zuverlässige Gitteranordnung zu schaffen, deren Übertragungsverhalten für elektromagnetische Wellen eine reduzierte Temperaturabhängigkeit hat.The invention is based on the problem, a simple and to create reliable grid arrangement whose Transmission behavior for electromagnetic waves has reduced temperature dependence.
Das Problem wird gelöst durch eine Gitteranordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch. The problem is solved by a grid arrangement with the Features according to the independent claim.
Geschaffen wird eine Gitteranordnung zur Manipulation
elektromagnetischer Wellen, mit
einer Mehrzahl von Gitterelementen aus einem ersten
Material, die in Abstand zueinander und mindestens in einer
Raumrichtung periodisch angeordnet sind, und
einem zwischen den Gitterelementen angeordneten
Füllkörper aus einem zweiten Material, mit dem zwischen
benachbarten Gitterelementen jeweils vorhandene Zwischenräume
zumindest teilweise gefüllt sind,
wobei das erste Material einen ersten thermooptischen
Koeffizienten aufweist und das zweite Material einen zweiten
thermooptischen Koeffizienten aufweist, wobei der erste
thermooptische Koeffizient und der zweite thermooptische
Koeffizient zueinander entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.A grid arrangement for manipulating electromagnetic waves is created with
a plurality of lattice elements made of a first material, which are periodically arranged at a distance from one another and at least in one spatial direction, and
a filler made of a second material arranged between the lattice elements and at least partially filled with interstices between adjacent lattice elements,
wherein the first material has a first thermo-optical coefficient and the second material has a second thermo-optical coefficient, the first thermo-optical coefficient and the second thermo-optical coefficient having opposite signs.
Dadurch, dass der erste thermooptische Koeffizient des ersten Materials und der zweite thermooptische Koeffizient des zweiten Materials zueinander entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, wirken die Temperaturänderung des ersten Brechungsindex und die Temperaturänderung des zweiten Brechungsindex entgegengesetzt auf den effektiven Brechungsindex im Sinne der Definition der Gleichung (1) des Gitters ein. Dadurch ist die Änderung des effektiven Brechungsindex i. S. d Gleichung (1) mit der Temperatur reduziert. Folglich ist die Temperaturabhängigkeit des Übertragungsverhaltens des Wellengitters für elektromagnetische Wellen reduziert.Because the first thermo-optical coefficient of the first Materials and the second thermo-optical coefficient of second material opposite signs exhibit the temperature change of the first Refractive index and the temperature change of the second Refractive index opposite to the effective one Refractive index as defined by equation (1) of the Grid. This is the change of the effective one Refractive index i. S. d equation (1) with temperature reduced. Consequently, the temperature dependence of the Transmission behavior of the wave grating for electromagnetic waves reduced.
Die Erfindung schafft somit eine Gitteranordnung mit Temperaturkompensation.The invention thus creates a grid arrangement Temperature compensation.
Beispielsweise kann der erste thermooptische Koeffizient positiv sein und der zweite thermooptische Koeffizient negativ sein. In diesem Fall steigt der erste Brechungsindex bei einer Temperaturerhöhung, und der zweite Brechungsindex sinkt bei einer Temperaturerhöhung. For example, the first thermo-optical coefficient be positive and the second thermo-optical coefficient be negative. In this case the first refractive index increases at a temperature increase, and the second refractive index decreases when the temperature rises.
Alternativ kann der erste thermooptische Koeffizient negativ sein und der zweite thermooptische Koeffizient positiv sein. In diesem Fall sinkt der erste Brechungsindex bei einer Temperaturerhöhung, und der zweite Brechungsindex steigt bei einer Temperaturerhöhung.Alternatively, the first thermo-optical coefficient can be negative be and the second thermo-optical coefficient be positive. In this case, the first refractive index drops at one Temperature increase, and the second refractive index increases a temperature increase.
Das erste Material kann ein beliebiges Material sein, das zur Herstellung von Gitterelementen eines Wellengitters, beispielsweise eines Bragg-Gitters, geeignet ist.The first material can be any material that is used for Production of grid elements of a wave grid, For example, a Bragg grating is suitable.
Das erste Material kann beispielsweise ein Kristallmaterial aufweisen. Insbesondere kann das erste Material ein binäres, ternäres oder quaternäres Kristallmaterial aufweisen.The first material can be a crystal material, for example exhibit. In particular, the first material can be a binary, have ternary or quaternary crystal material.
Das erste Material kann als Kristallmaterial beispielsweise ein kristallines Halbleitermaterial aufweisen. Das erste Material kann insbesondere ein Material aus der Materialgruppe aufweisen, die InP, InGaAs, GaAs, AlGaAs und Silizium-Auf-Isolator SOI aufweist.The first material can, for example, be a crystal material have a crystalline semiconductor material. The first Material can in particular be a material from the Have material group that InP, InGaAs, GaAs, AlGaAs and Has silicon on insulator SOI.
Das zweite Material kann ein nur sehr wenig verformbares Kristallmaterial sein. Vorzugsweise ist das zweite Material jedoch elastisch verformbar. In diesem Fall gibt der Füllkörper nach, wenn Gitterelemente durch Temperaturänderungen bedingt ihre Abmessungen ändern, d. h. sich ausdehnen oder zusammenziehen. Folglich ist die Gefahr verringert, dass in der Gitteranordnung Verspannungen auftreten, durch welche die Gitteranordnung möglicherweise in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt werden könnte oder sogar beschädigt werden könnte.The second material can be very little deformable Be crystal material. Preferably the second material however elastically deformable. In this case, the Packing after when lattice elements through Temperature changes cause their dimensions to change, i.e. H. expand or contract. Hence the danger reduces tension in the grid arrangement occur, through which the grid arrangement possibly in their performance could be impaired or could even be damaged.
Das zweite Material kann beispielsweise ein Polymermaterial sein. Das zweite Material kann beispielsweise Polymethylmetacrylat PMMA sein. Alternativ kann das zweite Material ein Harz, wie zum Beispiel ein Epoxidharz oder ein Polyesterharz sein. Alternativ kann das zweite Material ein Lack, beispielsweise ein Photolack, sein. The second material can be a polymer material, for example his. The second material can, for example Be polymethyl methacrylate PMMA. Alternatively, the second Material such as an epoxy resin or a resin Be polyester resin. Alternatively, the second material can be a Lacquer, for example a photoresist.
Die Gitterelemente können annähernd jede beliebige Form haben. Beispielsweise können die Gitterelemente die Form von Kugeln, Ellipsoiden, länglichen Zylindern, Würfeln oder flachen Streifen haben. Die Gitterelemente können beispielsweise auch als zueinander parallel angeordnete rechtwinklige Quader ausgebildet sein.The grid elements can have almost any shape to have. For example, the grid elements can take the form of Spheres, ellipsoids, elongated cylinders, cubes or have flat stripes. The grid elements can for example, as arranged parallel to each other rectangular cuboids.
Die Gitterelemente können in einer oder in mehreren Raumrichtungen periodisch angeordnet sein. Insbesondere können die Gitterelemente in genau einer ersten Raumrichtung periodisch angeordnet sind.The grid elements can be in one or more Spatial directions can be arranged periodically. In particular can the grid elements in exactly a first spatial direction are arranged periodically.
Falls die Gitterelemente als zueinander parallel angeordnete rechtwinklige Quader ausgebildet sind, kann eine der Kanten jedes Quaders parallel zu der ersten Raumrichtung ausgerichtet ist. In diesem Fall kann die Gitteranordnung insbesondere als Bragg-Gitter mit einer Mehrzahl von zueinander parallel angeordneten Gitterstreifen als Gitterelementen ausgebildet sein.If the grid elements are arranged as parallel to one another rectangular cuboids are formed, one of the edges each cuboid parallel to the first spatial direction is aligned. In this case, the grid arrangement especially as a Bragg grating with a plurality of grid strips arranged parallel to each other as Grid elements may be formed.
Die Gitterelemente können alternativ in zwei oder drei aufeinander senkrecht stehenden Raumrichtungen periodisch angeordnet sein.The grid elements can alternatively be in two or three periodically perpendicular spatial directions be arranged.
Alternativ können die Gitterelemente in einem zweidimensionalen oder dreidimensionalen Gitter zu einem photonischen Kristall angeordnet sein. In diesem Fall sind die Gitterelemente in einer vorbestimmten Ordnung angeordnet. Dabei können die Gitterelemente im Spezialfall in aufeinander senkrecht stehenden Richtungen periodisch angeordnet sein.Alternatively, the grid elements in one two-dimensional or three-dimensional grid into one be arranged photonic crystal. In this case the grid elements are arranged in a predetermined order. In special cases, the lattice elements can be stacked perpendicular directions may be arranged periodically.
Sämtliche Gitterelemente der Gitteranordnung können identisch gestaltet sein. Alternativ können mehrere unterschiedliche Arten von Gitterelementen vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Gitteranordnung in Form eines in einer oder mehreren Raumrichtungen periodischen Gitters gestaltet sein, wobei in jeder Elementarzelle des Gitters mehrere gleiche oder unterschiedliche Gitterelemente angeordnet sind.All grid elements of the grid arrangement can be identical be designed. Alternatively, several different ones Types of grid elements can be provided. For example the grid arrangement can be in the form of one or more Spatial directions of periodic lattice can be designed, whereby in each unit cell of the grid several of the same or different grid elements are arranged.
Die zwischen benachbarten Gitterelementen vorhandenen Zwischenräume können durch den Füllkörper vollständig ausgefüllt sein.The existing between adjacent grid elements Gaps can be filled completely by the packing to be filled out.
Alternativ können die Zwischenräume durch den Füllkörper nur teilweise ausgefüllt sein. Beispielsweise können nur Randflächen der Gitterelemente, welche die Gitterelemente zu den Zwischenräumen hin aufweisen, mit dem Füllkörper beschichtet sein.Alternatively, the gaps can only be filled partially filled out. For example, only Edge surfaces of the grid elements, which the grid elements too have the gaps with the packing be coated.
Das Gitter kann ein kubisches Gitter sein. Alternativ kann das Gitter ein hexagonales Gitter sein. Das hexagonale Gitter hat den Vorteil, dass die Brillouinzone bei einem zweidimensionalen Gitter annähernd kreisförmig und bei einem dreidimensionalen Gitter annähernd kugelförmig ist. Daher ist es bei einer Gitteranordnung mit einem zwei- oder dreidimensionalen Gitter leichter, gleichzeitig für alle Raumrichtungen der Gitteranordnung ein zumindest annähernd temperaturabhängiges Übertragungsverhalten zu erzielen, falls das Gitter ein hexagonales Gitter ist.The grid can be a cubic grid. Alternatively, you can the grid should be a hexagonal grid. The hexagonal grid has the advantage that the Brillouinzone with one two-dimensional grid almost circular and at one three-dimensional lattice is approximately spherical. thats why it in a grid arrangement with a two or three-dimensional lattice lighter, at the same time for everyone Spatial directions of the grid arrangement at least approximately to achieve temperature-dependent transmission behavior if the grid is a hexagonal grid.
Die Gitteranordnung kann insbesondere eine derart gewählte Geometrie haben und das erste Material und das zweite Material können derart, insbesondere abgestimmt auf die Geometrie der Gitteranordnung, gewählte Materialeigenschaften haben, dass die Gitteranordnung in einem vorbestimmten Temperaturbereich und in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen zumindest für einen vorbestimmten Temperatur- Arbeitspunkt und zumindest für eine vorbestimmte Wellenlänge in mindestens einer Raumrichtung ein temperaturunabhängiges spektrales Transmissionsvermögen für die elektromagnetischen Wellen hat. The grid arrangement can in particular be chosen in this way Have geometry and the first material and the second Material can be such, especially tailored to the Geometry of the grid arrangement, selected material properties have the grid arrangement in a predetermined Temperature range and in a predetermined Wavelength range of the wavelength of the electromagnetic Waves at least for a predetermined temperature Working point and at least for a predetermined wavelength a temperature-independent in at least one spatial direction spectral transmittance for the electromagnetic Has waves.
Diese Eigenschaft entspricht der Eigenschaft, dass für die Gitteranordnung Gleichung (1) oder eine ggf. entsprechend der spezifischen Ausgestaltung der Gitteranordnung modifizierte entsprechende Gleichung temperaturunabhängig ist.This property corresponds to the property that for the Grid arrangement equation (1) or one possibly according to the Modified specific design of the grid arrangement corresponding equation is independent of temperature.
Dabei können die Materialeigenschaften des ersten Materials insbesondere den ersten thermooptischen Koeffizienten und einen ersten Brechungsindex aufweisen, und die Materialeigenschaften des zweiten Materials können insbesondere den zweiten thermooptischen Koeffizienten und einen zweiten Brechungsindex aufweisen.The material properties of the first material especially the first thermo-optical coefficient and have a first refractive index, and the Material properties of the second material can in particular the second thermo-optical coefficient and have a second refractive index.
Falls die Gitterelemente als zueinander parallel angeordnete rechtwinklige Quader ausgebildet sind, also beispielsweise falls die Gitteranordnung als Bragg-Gitter mit einer Geometrie wie der oben beschriebenen ausgebildet ist, kann die Geometrie der Gitteranordnung die Breite der als Gitterelemente verwendeten Quader in der ersten Richtung aufweisen.If the grid elements are arranged as parallel to one another rectangular cuboids are formed, for example if the grid arrangement as a Bragg grid with a Geometry as that described above can be formed the geometry of the grid arrangement the width of the as Lattice elements used cuboids in the first direction exhibit.
Die Erfindung ist insbesondere zur Temperaturkompensation bei tiefgeätzten Gittern und photonischen Kristallen gut geeignet. Bei herkömmlichen Vorrichtungen zur Temperaturkompensation ist die Vorrichtung, beispielsweise der Kühler, die Heizung oder die Abdeckung, häufig an einer Oberfläche der Gitteranordnung vorgesehen. Dadurch ist eine erzielte Temperaturkompensation in der Gitteranordnung räumlich gesehen unregelmäßig. Bei einem erfindungsgemäßen tiefgeätzten Gitter beispielsweise wird eine über die gesamte geätzte Tiefe des Gitters hinweg gleichmäßige Temperaturkompensation erzielt. Ebenso wird bei einem erfindungsgemäßen photonischen Kristall eine über das gesamte Volumen des photonischen Kristalls hinweg gleichmäßige Temperaturkompensation erzielt.The invention is particularly useful for temperature compensation deep-etched grids and photonic crystals well suitable. In conventional devices for Temperature compensation is the device, for example the radiator, heater or cover, often on one Surface of the grid arrangement provided. This is one achieved temperature compensation in the grid arrangement spatially irregular. In an inventive deep-etched grating, for example, becomes one over the entire etched depth of the grid evenly Temperature compensation achieved. Likewise with one photonic crystal according to the invention one over the entire Volume of the photonic crystal uniform Temperature compensation achieved.
Die Gitteranordnung kann ein Spiegel bei einem Laserresonator sein. The grating arrangement can be a mirror in a laser resonator his.
Alternativ kann die Wellenleiteranordnung weiter zumindest einen Wellenleiter aufweisen, mit dem elektromagnetische Wellen entlang einer vorbestimmten Richtung leitbar sind, wobei die Gitterelemente und der Füllkörper sich teilweise in dem Wellenleiter erstrecken.Alternatively, the waveguide arrangement can at least further have a waveguide with the electromagnetic Waves can be conducted along a predetermined direction, the lattice elements and the filler partially in extend the waveguide.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.Embodiments of the invention are in the drawing are shown and are explained in more detail below.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine Gitteranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Gitteranordnung sich teilweise in einem Wellenleiter erstreckt. Fig. 1 shows a grating arrangement according to a first embodiment of the invention, in which the grating arrangement extends partially in a waveguide.
Fig. 1 zeigt eine Gitteranordnung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 1 shows a grid arrangement 100 according to a first embodiment of the invention.
Die Gitteranordnung 100 weist eine Mehrzahl von quaderförmigen Gitterelementen 101, einen Füllkörper 102 und einen Wellenleiter 103 auf. Die Gitterelemente 100 sind in einer ersten Richtung periodisch mit einer Gitterperiode Λ angeordnet. Die Breite jedes einzelnen Gitterelements in der ersten Richtung ist gleich γΛ, wobei, je nach Ausführungsvariante, γ zwischen 0 und 1 liegt. Zwischen benachbarten Gitterelementen jeweils verbliebene Hohlräume sind mit dem Füllkörper 102 gefüllt. Der Füllkörper 102 weist eine Mehrzahl von einzelnen Füllkörper-Elementen auf, von denen zwischen jeweils zwei benachbarten Gitterelementen 101 je eines angeordnet ist.The grating arrangement 100 has a plurality of cuboid grating elements 101 , a filling body 102 and a waveguide 103 . The grid elements 100 are arranged periodically in a first direction with a grid period Λ. The width of each individual lattice element in the first direction is equal to γ wobei, where, depending on the variant, γ is between 0 and 1. Any voids remaining between adjacent grid elements are filled with the filler 102 . The filler body 102 has a plurality of individual filler body elements, one of which is arranged between each two adjacent grid elements 101 .
Die Gitterelemente sind aus Indiumphosphid InP mit einem Brechungsindex von ns = 3,2 bei einer Temperatur von T = 20°C gefertigt. Der thermooptische Koeffizient αs (n) von InP ist gleich αs (n) = + 58.10-6/K. Die relative Ausdehnung αs (L) von InP mit der Temperatur ist gleich αs (L) = 5.10-6/K. The grating elements are made of indium phosphide InP with a refractive index of n s = 3.2 at a temperature of T = 20 ° C. The thermo-optical coefficient α s (n) of InP is equal to α s (n) = + 58.10 -6 / K. The relative expansion α s (L) of InP with temperature is equal to α s (L) = 5.10 -6 / K.
Der Füllkörper ist aus Polymethylmetacrylat PMMA mit einem Brechungsindex von nf = 3,2 bei einer Temperatur von T = 20°C gefertigt. Der thermooptische Koeffizient αf (n) von PMMA ist gleich αf (n) = -93.10-6/K.The packing is made of polymethyl methacrylate PMMA with a refractive index of n f = 3.2 at a temperature of T = 20 ° C. The thermo-optical coefficient α f (n) of PMMA is equal to α f (n) = -93.10 -6 / K.
Der Wert von γ ist so gewählt, dass gemäß Gleichung (2) das Übertragungsverhalten der Gitteranordnung 100 zumindest in einem vorbestimmten Temperaturbereich in der Nähe einer vorbestimmten Temperatur T0 temperaturunabhängig ist.The value of γ is chosen such that, according to equation (2), the transmission behavior of the grid arrangement 100 is temperature-independent at least in a predetermined temperature range in the vicinity of a predetermined temperature T 0 .
Gemäß Gleichung (2) ist das Übertragungsverhalten der
Gitteranordnung 100 genau dann temperaturabhängig, wenn gilt:
According to equation (2), the transmission behavior of the grid arrangement 100 is temperature-dependent if and only if:
γns (T0)(αs (n) + αs (L)) + (1 - γ)nf(T0)(αf (n) + αs (L)) = 0. (3)γn s (T 0 ) (α s (n) + α s (L) ) + (1 - γ) n f (T 0 ) (α f (n) + α s (L) ) = 0. (3)
Mit der Abkürzung
With the abbreviation
AT = -[ns(T0)(αs (n) + αs (L))]/[nf(T0)(αf (n) + αs (L))] (4)
A T = - [n s (T 0 ) (α s (n) + α s (L) )] / [n f (T 0 ) (α f (n) + α s (L) )] (4)
wird die Bedingung (3) zu
condition (3) becomes too
AT = (1 - γ)/γ. (5)A T = (1 - γ) / γ. (5)
Für den Parameter γ bedeutet dies:
For the parameter γ this means:
γ = 1/(1 + AT). (6)γ = 1 / (1 + A T ). (6)
Für die Gitteranordnung 100 aus Fig. 1 ergibt sich aus Gleichung (6) der Wert γ = 0,4.For the grid arrangement 100 from FIG. 1, the value γ = 0.4 results from equation (6).
Die Gitteranordnung 100 kann beispielsweise folgendermaßen hergestellt werden. Zuerst wird eine Schichtanordnung mit drei Schichten, nämlich, in dieser Schichtabfolge, einer unteren Schicht aus undotiertem InP, einer mittleren Schicht aus dotiertem InP und einer oberen Schicht aus undotiertem InP ausgebildet. In der Schichtanordnung werden in regelmäßigen räumlichen Abständen quaderförmige Schlitze ausgebildet. Durch die zwischen den Schlitzen verbleibenden Abschnitte der Schichtanordnung sind die Gitterelemente 101 gebildet. Die Schlitze werden schließlich mit PMMA gefüllt, so dass der Füllkörper 102 aus PMMA ausgebildet wird.The grid arrangement 100 can be manufactured as follows, for example. First, a layer arrangement with three layers, namely, in this layer sequence, a lower layer made of undoped InP, a middle layer made of doped InP and an upper layer made of undoped InP is formed. Cuboid slots are formed in the layer arrangement at regular spatial intervals. The lattice elements 101 are formed by the sections of the layer arrangement remaining between the slots. Finally, the slots are filled with PMMA, so that the filler 102 is formed from PMMA.
Bei einer Gitteranordnung, bei der die Zwischenräume von dem Füllkörper nur teilweise gefüllt sind, kann die Herstellung der Gitteranordnung bis zum Ausbilden der quaderförmigen Schlitze wie oben beschrieben erfolgen. Danach werden die Schlitze nicht vollständig mit dem zweiten Material, beispielsweise PMMA, gefüllt. Statt dessen werden die Wände jedes Schlitzes, von denen der jeweilige Schlitz begrenzt ist, d. h. die inneren Wände des Schlitzes, mit dem zweiten Material beschichtet.In the case of a grid arrangement in which the spaces between the Packings are only partially filled, the manufacture the grid arrangement until the formation of the cuboid Slots are made as described above. After that, the Slots not completely with the second material, for example PMMA. Instead, the walls each slot, of which the respective slot bounds is, d. H. the inner walls of the slot, with the second Material coated.
Bei einer Gitteranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind eine Mehrzahl von Gitterelementen aus einem ersten Material in einem in zwei Richtungen periodischen Gitter angeordnet, wobei die Gitterelemente in einen Füllkörper aus einem zweiten Material eingebettet sind. Der Brechungsindex und der thermooptische Koeffizient des ersten Materials und des zweiten Materials sind jeweils so gewählt, dass Gleichung (6) gleichzeitig für die beiden Richtungen möglichst gut annähernd erfüllt ist.In a grid arrangement according to a second embodiment The invention is made up of a plurality of grid elements a first material in one in two directions periodic grid arranged, the grid elements in a packing made of a second material are embedded. The refractive index and the thermo-optical coefficient of the the first material and the second material are each so chosen that equation (6) simultaneously for the two Directions are approximately as good as possible.
Bei einer Gitteranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung sind eine Mehrzahl von Gitterelementen aus einem ersten Material gemäß einem dreidimensionalen Gitter zu einem photonischen Kristall angeordnet, wobei die Gitterelemente in einen Füllkörper aus einem zweiten Material eingebettet sind. Das aus den Gitterelementen gebildete dreidimensionale Gitter weist in mehrere Richtungen eine regelmäßige Anordnung auf. Der Brechungsindex und der thermooptische Koeffizient des ersten Materials und des zweiten Materials sind jeweils so gewählt, dass Gleichung (6) gleichzeitig für mindestens zwei und vorzugsweise für alle der mehreren Richtungen möglichst gut annähernd erfüllt ist. In a grid arrangement according to a third embodiment The invention is made up of a plurality of grid elements a first material according to a three-dimensional grid a photonic crystal, the Lattice elements in a packing made of a second material are embedded. That formed from the grid elements three-dimensional grid points in several directions regular arrangement on. The refractive index and the thermo-optical coefficient of the first material and the second material are selected such that equation (6) simultaneously for at least two and preferably for all which is as close as possible to several directions.
Die mehreren Richtungen können beispielsweise dem spezifischen Gitter entsprechende Vorzugsrichtungen sein.The multiple directions can be, for example be preferred directions corresponding to specific grids.
Bei einer Gitteranordnung gemäß einer Ausführungsvariante, die auf einer beliebigen der oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung basieren kann, weist das erste Material eine Kombination von InP und einem Ferroelektrikum auf. Jedes Gitterelement ist somit aus einer Materialanordnung geformt, die InP und das Ferroelektrikum aufweist.In the case of a grid arrangement according to one embodiment variant, those on any of the above Embodiments of the invention can be based on that first material a combination of InP and one Ferroelectric on. Each grid element is therefore one Shaped material arrangement, the InP and the ferroelectric having.
Bei Gitteranordnungen gemäß weiteren Ausführungsvarianten weist das erste Material eine Kombination von zwei oder mehr anderen unterschiedlichen Materialien auf. Die zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien können beispielsweise gemäß einem vorbestimmten Muster angeordnet sein. In the case of lattice arrangements according to further design variants the first material has a combination of two or more other different materials. The two or more different materials can, for example, according to be arranged in a predetermined pattern.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] WO 98/13718, G. Heise et al.
[2] Yasuyuki Inoue, Akimasa Kaneko, Fumiaki Hanawa, Hiroshi
Takahashi, Kunimori Hattori, Shin Sumida, "Athermal
Silica-Based Arrayed Waveguide Grating (AWG)
Multiplexer", Proc. ECOC '97, 33-36 (1997)
The following publications are cited in this document:
[1] WO 98/13718, G. Heise et al.
[2] Yasuyuki Inoue, Akimasa Kaneko, Fumiaki Hanawa, Hiroshi Takahashi, Kunimori Hattori, Shin Sumida, "Athermal Silica-Based Arrayed Waveguide Grating (AWG) Multiplexer", Proc. ECOC '97, 33-36 ( 1997 )
Fig.FIG.
11
100100
Gitteranordnung
grid array
101101
Gitterelement
grid element
102102
Füllkörper
packing
103103
Wellenleiter
waveguides
Claims (18)
einer Mehrzahl von Gitterelementen aus einem ersten Material, die in Abstand zueinander und mindestens in einer Raumrichtung periodisch angeordnet sind, und
einem zwischen den Gitterelementen angeordneten Füllkörper aus einem zweiten Material, mit dem zwischen benachbarten Gitterelementen jeweils vorhandene Zwischenräume zumindest teilweise gefüllt sind,
wobei das erste Material einen ersten thermooptischen Koeffizienten aufweist und das zweite Material einen zweiten thermooptischen Koeffizienten aufweist, wobei der erste thermooptische Koeffizient und der zweite thermooptische Koeffizient zueinander entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.1. Grid arrangement for manipulating electromagnetic waves, with
a plurality of lattice elements made of a first material, which are arranged at a distance from one another and at least periodically in one spatial direction, and
a filler made of a second material, arranged between the grid elements, with which intermediate spaces between adjacent grid elements are at least partially filled,
wherein the first material has a first thermo-optical coefficient and the second material has a second thermo-optical coefficient, the first thermo-optical coefficient and the second thermo-optical coefficient having opposite signs.
die weiter zumindest einen Wellenleiter aufweist, mit dem elektromagnetische Wellen entlang einer vorbestimmten Richtung leitbar sind, und
bei der die Gitterelemente und der Füllkörper sich teilweise in dem Wellenleiter erstrecken.18. Grid arrangement according to one of claims 1 to 17,
which further comprises at least one waveguide with which electromagnetic waves can be guided along a predetermined direction, and
in which the grating elements and the filler extend partially in the waveguide.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8131 | Rejection |