Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten bidirektionalen opti- schen Kopplers, auch betrifft die Erfindung eine Maske zur Herstellung eines integrierten bidi- rektionalen optischen Kopplers, einen nach dem Verfahren hergestellten integrierter bidirektio- naler optischer Koppler und die Verwendung des integrierten bidirektionalen optischen Kopp- lers.

Die optische Übertragung von Daten hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem zentralen Ele- ment der Kommunikationstechnik entwickelt. Neben stetig steigenden Datenraten sind Über- tragungssicherheit und die elektromagnetische Stör Sicherheit zentrale Attribute an moderne Da- tenübertragungskanäle. Optische Verbindungsstrecken werden gegenüber konventionellen elektrischen Verbindungen, die zunehmend an ihre physikalischen Grenzen stoßen, den stei- genden Anforderungen gerecht und bieten ein großes Potenzial in verschiedensten Bereichen der Kommunikationstechnik. Beim Ausbau des Breitbandnetzes mit der Glasfasertechnik und in der Weitverkehrstechnik sind optische Verbindungsstrecken mit ihren zahlreichen Vorteilen bereits nicht mehr wegzudenken. Aber auch für eine Onboard Kommunikation ist der Einsatz von optischen Wellenleitern und integrierter Optik ein attraktives Anwendungsgebiet und könnte zukünftig elektrische Verbindungen ersetzen. Hier findet die Erfindung des integrierten optischen Richtkopplers, der eine simultane bidirektionale Kommunikation über einen Licht- wellenleiter bei gleicher Wellenlänge ermöglicht, ihre Anwendung. Der Kommunikationsbe- darf zwischen einzelnen Chips, die Informationen austauschen, ist oft nicht unidirektional, son- dern bidirektional, so dass für eine Kommunikation zwei getrennte Wellenleiter notwendig sind. Durch ein Vorschalten des entwickelten Richtkopplers ist eine bidirektionale Kommuni- kation auf nur einem Kanal realisierbar, was die Packdichte einzelner Verbindungen verdop- pelt. Dabei sind jedoch einige Problemstellungen zu berücksichtigen, die durch die Betrach- tung zweier Übertragungsszenarien beschrieben werden können.

In der Fig. 1 ist eine ideale simultane bidirektionale Übertragung dargestellt. Beide Stationen 2, 3 kommunizieren dabei über einen Übertragungskanal 1. Bei einer Anwendung herkömmli- eher 2x2-Splitter, die eine 50:50 Teilung der optischen Leistung im Koppelbereich aufweisen, würde der gesendete Datenstrom D ₁ D ₂ in beide Äste der Station 2, 3 aufgeteilt. An der La- serdiode 4, die als Spiegel mit einer Reflexivität von 99,9% wirkt, käme es zu Reflexionen der gesendeten Lichtimpulse, welche zu Bitfehlern während einer Datenübertragung führen. Das zweite Szenario, welches schematisch in Fig. 2 veranschaulicht wird, beschreibt die Situation, dass nur Station 1 sendet. Durch Reflexionen an der Station 2 detektiert der Empfänger 5 der Station 1 den eigenen gesendeten Datenstrom D ₁ da der Signalpegel ausreicht, um die Emp- fängerschaltung anzusteuem. Somit werden falsche Informationen empfangen, wenn nur eine Station 2, 3 den gemeinsamen Kanal 1 benutzt. Diese Problemstellung kann durch eine Ent- kopplung von Sende- und Empfangszweig gelöst werden. Gleichzeitig sollte die Propagation in Senderichtung möglichst effizient sein. Neben den Reflexionen durch die Laserdiode 4, wel- che durch eine Entkopplung minimiert werden können, kommt es abhängig von der Abschluss- beschaltung des Bauteils zu Reflexionen an den Stirnflächen.

Die Fertigung integrierter optischer Komponenten ist durch verschiedene Herstellungsprozes- se realisierbar. Gegenüber konkurrierenden Fertigungsansätzen durch Polymer- oder Silizium- wellenleiter bieten Diffusionswellenleiter einige Vorteile hinsichtlich Fertigungskosten, me- chanischer Belastung und verlustarmer Übertragung von 0,1 - 0,2dB/cm. Für die Fertigung von Diffusionswellenleitem können zweistufige rein thermische und feldgestützte Ionenaustausch- prozesse eingesetzt werden. Für die Fertigung des bidirektionalen Kopplers wird ein feldge- stützter Diffusionsprozess eingesetzt. Dieser bietet den Vorteil von deutlich kürzeren Prozess- zeiten und es werden annähernd radialsymmetrischen Brechzahlprofile für gängige Multimo- de-Faserquerschnitte von 50μm und 62,5μm erreicht.

Am Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik und Photonik der Universität Siegen wurden im Jahr 2019 bidirektionale Koppler modelliert, welche mit Hilfe eines thermischen Diffusions- prozesses gefertigt werden können. Durch verschiedene Optimierungsansätze erreichen die de- signten Koppler Strukturen hohe Effizienzen in Sende- und Empfangsrichtung. Durch die Ferti- gung mit einem thermischen Ionenaustauschprozess bei einer Gesamtprozessdauer von 45 Stunden werden Wellenleiter mit einem Querschnitt von etwa lOOμm produziert. In einer wei- terführenden Arbeit wird das erarbeitete Design für den thermischen Fertigungsprozess auf die Fertigung mit einem feldgestützten Ionenaustausch angepasst und mit einer neuartigen Struk- tur, welche die Grundlage der Erfindung bildet, numerisch vergleichen. Der feldgestützte Dif- fusionsprozess wird in der industriellen Serienfertigung für integrierte optische Komponenten in Glasschichten eingesetzt.

Zudem existiert ein weiterer Ansatz für einen bidirektionalen Koppler, der mit Plastic Optical Fibers (POFs) realisiert wurde. Dieser kann für hoch multimodale Faseranwendungen einge- setzt werden. Ein Einsatz als integriertes Bauteil ist nicht möglich. Ein weiterer Ansatz für die bidirektionale Nutzung eines Lichtwellenleiters beruht auf der Entwicklung eines Transceivers, welcher direkt auf die Enden einer Faser gekoppelt werden kann. Auch hier entstehen jedoch Reflexionen, die zu einer falschen Detektion von Signalen und damit zu Bitfehlern führen kön- nen. Weitere Ansätze zur Realisierung einer bidirektionalen Verbindung oder zum Entwurf ei- nes passiven optischen Bauteils, welches der Problemstellung gerecht wird, sind nicht bekannt.

Der aktuelle Stand der Technik bietet somit noch keine Möglichkeit zur Realisierung einer in- tegrierten optischen Komponente, welche die bidirektionale Nutzung eines Wellenleiters er- möglicht und in einer wirtschaftlichen Serienfertigung eingesetzt werden kann. Komponenten, welche durch einen thermischen Diffusionsprozess gefertigt werden können, sind nur nume- risch analysiert worden und weisen zudem Prozesszeiten von mehreren Tagen auf, was sie für eine Serienfertigung unattraktiv macht. Koppler, welche durch alternative Fertigungsprozesse produziert werden, weisen höhere intrinsische Dämpfungen auf, was als Nachteil gegenüber dem Diffusionsprozess herausgestellt werden kann. Die bisher entwickelten Transceiver-Kom- ponente ermöglichen die bidirektionale Nutzung eines Wellenleiters. Es ist jedoch keine Ent- kopplung von Sende- und Empfangsrichtung implementiert, was zu einer fehlerhaften Detekti- on von Signalen bei verschiedenen Übertragungsszenarien führt. Die Erfindung stellt sich damit die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten bi- direktionalen optischen Kopplers anzugeben, bei dem durch das Verfahren der Koppler dahin- gehend verbessert wird, die Entkopplung von Sende- und Empfangsrichtung bei der bidirektio- nalen Datenübertragung über einen einzelnen Wellenleiter zu verbessern, umso eine fehlerfreie Übertragung in allen Übertragungsszenarien zu ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfmdungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen An- sprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfmdungsgemäß ist somit ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten bidirektionalen op- tischen Kopplers angegeben, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines Dünnglases zur Herstellung des integrierten bidirektionalen optischen Kopplers mittels zumindest eines Diffusionsprozesses,

- Aufwachsen einer Metallschicht als Diffusionsbarriere auf eine Oberfläche des Dünnglases mittels eines Dünnschichtprozesses,

- Strukturieren der Metallschicht mittels eines lithographischen Prozesses zur Herstellung einer Maske, wobei die Maske nach dem Strukturieren mehrere Maskenöffnungen zum Herausbil- den von Diffusionswellenleiter des integrierten bidirektionalen optischen Kopplers umfasst, die Maske umfassend zumindest eine erste Maskenöffnung für einen ersten Diffusionswellen- leiter, wobei der erste Diffusionswellenleiter als bidirektionaler Zweig ausgeführt ist, um als Empfangszweig des integrierten bidirektionalen optischen Kopplers zu dienen, die erste Maskenöffnung streifenförmig ausgebildet ist und einen S-förmigen Bereich umfasst, wobei der S-förmige Bereich gebildet ist aus einem ersten geradlinig verlaufenden Bereich und einem zweiten geradlinig verlaufenden Bereich, wobei der zweite Bereich sich parallel zum ersten Bereich in einem Abstand d _α und horizontal versetzt um die Länge l _α zu dem ersten Be- reich erstreckt, und der erste geradlinig verlaufende Bereich und der zweite geradlinig verlau- fende Bereich mittels eines S-förmige Bogens miteinander verbunden sind, wodurch sich ein Bendwinkel a zwischen dem ersten geradlinig verlaufenden Bereich und dem zweiten geradli- nig verlaufenden Bereich definiert durch α = arctan ergibt, wobei die erste Maskenöffnung eine erste Breite di aufweist, die Maske weiter zumindest eine zweite streifenförmig Maskenöffnung für einen zweiten Dif- fusionswellenleiter umfasst, wobei der zweite Diffusionswellenleiter derart eingerichtet ist, als Sendezweig zu dienen, wobei die zweite Maskenöffnung geradlinig ausgeführt ist, und sich in einem Kopplungsbe- reich des ersten geradlinig verlaufenden Bereichs der ersten Maskenöffnung bis auf einen Ab- stand d _m annähert, so dass in der Maske ein Maskensteg mit einer Breite d _m verbleibt, wobei zwischen dem ersten geradlinig verlaufenden Bereich der ersten Maskenöffnung und der zwei- ten Maskenöffnung ein vertikaler Abstand d ₀ besteht, wobei die zweite Maskenöffnung eine zweite Breite d ₂ aufweist, wobei die Breite d ₂ der zwei- ten Maskenöffnung kleiner als die Breite di der ersten Maskenöffnung ist, das Verfahren weiter die folgenden Schritte umfasst:

- Erhitzen des strukturierten Dünnglases auf Prozesstemperatur,

- Benetzung der Oberfläche des Dünnglases mit einer AgN0 ₃ -Schmelze, wodurch in den Mas- kenöffnungen ein Ionenaustausch stattfindet,

- Anlegen eines elektrisches Felds, um die Prozesszeiten gegenüber des rein thermischen Io- nenaustauschs zu verkürzen,

- Entfernen der Maske mittels eines Ätzprozesses,

- Anlegen eines elektrischen Feldes an das Dünnglas in einer NaN0 ₃ - Schmelze und Vergra- ben der Diffusionswellenleiter in das Dünnglas.

Grundidee der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung eines integrierten bidirektionalen optischen Kopplers mittels einer Anpassung der optischen Eigenschaften des Sendezweigs, was durch eine Variation der Maskenöffnungsbreite des Sendezweigs gegenüber dem Empfangs- zweig umgesetzt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die die Breite d ₂ der zweiten Masken- öffnung kleiner als die Breite di der ersten Maskenöffnung ist. Dies beeinflusst die numerische Apertur und damit den Akzeptanzwinkel des Wellenleiters. Diese Anpassung ist ohne Einfluss- nahme auf Prozessparameter und unabhängig von strukturellen Optimierungsansätzen möglich. Dabei ist weiterhin eine ausreichend große numerische Apertur des Sendezweigs gegeben, um eine möglichst verlustlose Einkopplung zu gewährleisten. Durch entsprechende äußere Be- schaltung kann zusätzlichen die Varianz der Apertur gegenüber dem Empfangszweig kompen- siert werden. Mittels einer variablen numerischen Apertur ist es möglich Verluste in Senderich- tung zu minimieren und gleichzeitig eine verbesserte Entkopplung in Empfangsrichtung zu er- möglichen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Maske im Schritt des Strukturierens der Metallschicht zur Herstellung der Maske derart strukturiert, dass der Bendwinkel a im Wesent- lichen 5° beträgt, der vertikaler Abstand d ₀ im Wesentlichen 0 μm beträgt und der Maskensteg d _m eine Breite im Wesentlichen von 300 μm aufweist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Maske im Schritt des Strukturierens der Metallschicht zur Herstellung der Maske derart strukturiert, dass die erste Maskenöffnung für den ersten Diffusionswellenleiter eine Breite di vom im Wesentlichen 3 μm aufweist und die zweite Maskenöffnung für den zweiten Diffusionswellenleiter eine Breite d ₂ von kleiner gleich 1 μm aufweist.

Erfmdungsgemäß ist außerdem eine Maske zur Herstellung eines integrierten bidirektionalen optischen Kopplers angegeben, wobei die Maske durch Aufwachsen und Strukturieren einer Metallschicht hergestellt ist, die Maske umfassend: zumindest eine erste Maskenöffnung für einen ersten Diffusionswellenleiter, wobei der erste Diffusionswellenleiter als bidirektionalen Zweig ausgeführt ist, um als Empfangszweig des integrierten bidirektionalen optischen Kopplers zu dienen, die erste Maskenöffnung strei- fenförmig ausgebildet ist und einen S-förmigen Bereich umfasst, wobei der S-förmige Bereich gebildet ist aus einem ersten geradlinig verlaufenden Bereich und einem zweiten geradlinig ver- laufenden Bereich, wobei der zweite Bereich sich parallel zum ersten Bereich in einem Abstand d _α und seitlich versetzt um die Länge l _α zu dem ersten Bereich erstreckt, und der erste geradli- nig verlaufende Bereich und der zweite geradlinig verlaufende Bereich mittels eines S-förmige Bogens miteinander verbunden sind, wodurch sich ein Bendwinkel a zwischen dem ersten ge- radlinig verlaufenden Bereich und dem zweiten geradlinig verlaufenden Bereich definiert durch α = arctan ergibt, wobei die erste Maskenöffnung eine erste Breite di aufweist, die Maske weiter zumindest eine zweite streifenförmig Maskenöffnung für einen zweiten Dif- fusionswellenleiter umfasst, wobei der zweite Diffusionswellenleiter derart eingerichtet ist, als Sendezweig zu dienen, wobei die zweite Maskenöffnung geradlinig ausgeführt ist, und sich in einem Kopplungsbereich des ersten geradlinig verlaufenden Bereichs der ersten Maskenöff- nung bis auf einen Abstand d _m annähert, so dass in der Maske ein Maskensteg mit einer Breite d _m verbleibt, wobei zwischen dem ersten geradlinig verlaufenden Bereich der ersten Masken- öffnung und der zweiten Maskenöffnung ein vertikaler Abstand d ₀ besteht, wobei die zweite Maskenöffnung eine zweite Breite d ₂ aufweist, wobei die Breite d ₂ der zweiten Maskenöffnung kleiner als die Breite di der ersten Maskenöffnung ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Maske einen Bendwinkel a von im Wesentlichen 5° auf, der vertikaler Abstand d ₀ ist im Wesentlichen 0 μm und der Masken- steg d _m weist eine Breite im Wesentlichen von 300 μm auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die erste Maskenöffnung für den ersten Diffusionswellenleiter eine Breite di vom im Wesentlichen 3 μm auf und die zweite Maskenöffnung für den zweiten Diffusionswellenleiter weist eine Breite d ₂ von kleiner gleich 1 μm auf.

Weiter ist erfindungsgemäß ein integrierter bidirektionaler optischer Koppler angegeben, her- gestellt nach dem zuvor beschriebenen Verfahren. Der erfindungsgemäße Koppler löst die tech- nische Problemstellung einer Entkopplung von Sende- und Empfangsrichtung bei der bidirek- tionalen Datenübertragung über einen einzelnen Wellenleiter und ermöglicht so eine fehlerfreie Übertragung in allen Übertragungsszenarien wie im einleitenden Teil der Beschreibung be- schrieben. Gegenüber dem aktuellen Stand der Technik kann bei Variation der Maskenöff- nungsbreite des Sendezweigs gegenüber dem Empfangszweig eine höhere Gesamteffizienz er- reicht werden.

Außerdem ist erfindungsgemäß die Verwendung des integrierten bidirektionalen optischen Kopplers hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mittels einer Maske nach einem der An- sprüche 4 bis 6 als bidirektionale optische Inter-Chip-Connection, als asymmetrische Leis- tungsteiler in Faseranwendungen, als bidirektionaler Koppler in Sensorikanwendungen und/oder als optische Busstruktur angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand be- vorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl je- weils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale ver- schiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein an- deres.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema einer idealen simultanen bidirektionalen Übertragung gemäß dem

Stand der Technik, Fig. 2 ein Schema einer Übertragung bei der nur eine Station sendet gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine schematische Ansicht des Maskendesigns eines integrierten bidirektionalen optischen Kopplers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4 eine schematische Ansicht eines ersten Prozessschritts zur Herstellung eines in- tegrierten bidirektionalen optischen Kopplers gemäß einem Ausführungsbei- spiel der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines zweiten Prozessschritts zur Herstellung eines integrierten bidirektionalen optischen Kopplers gemäß einem Ausführungsbei- spiel der Erfindung,

Fig. 6 eine schematische Ansicht des Einflusses verschiedener Maskenöffnungen auf das Konzentrationsprofil eines Wellenleiters gemäß einem Ausführungsbei- spiels der Erfindung,

Fig. 7 ein Diagramm des Vergleichs von Simulation und Messung in Empfangsrich- tung,

Fig. 8 ein Diagramm des Vergleichs von Simulation und Messung in Senderichtung, Fig. 9 ein Diagramm der Messergebnisse in Sende- und Empfangsrichtung bei einem variablen Offset d ₀ des Sendezweigs,

Fig. 10 ein Diagramm des Vergleichs von simulierter und gemessener Gesamteffektivi- tät h,

Fig. 11 ein Diagramm des Vergleichs von Messung und Simulation in Empfangsrich- tung,

Fig. 12 ein Diagramm des Vergleichs von Messung und Simulation in Senderichtung, Fig. 13 ein Diagramm der Messergebnisse in Sende- und Empfangsrichtung bei einem Bendwinkel a,

Fig. 14 ein Diagramm des Vergleichs von simulierter und gemessener Gesamteffektiv- tät h, Fig. 15 ein Diagramm der numerisch berechnet Effizienz in Empfangsrichtung bei va- riabler Sendezweigbreite d ₂ ,

Fig. 16 ein Diagramm der numerisch berechnet Effizienz in Senderichtung bei variabler

Sendezweigbreite d ₂ ,

Fig. 17 ein Diagramm der Gesamteffizienz bei variabler Sendezweigbreite d ₂ ,

Fig. 18 ein Diagramm der ankommenden Leistung im dritten Port eines integrierten bi- direktionalen optischen Kopplers in Empfangsrichtung.

Die Figuren 1 und 2 wurden bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beschrieben.

Die Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Maskendesigns 9 eines integrierten bidirek- tionalen optischen Kopplers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Um die Arbeits- weise des Kopplers zu erläutern, der mittels des gezeigten Maskendesigns 9 hergestellt wird, wird zunächst verdeutlicht, wie eine daraus resultierende Koppler Struktur aufgebaut ist. Der erste Port 6 des Kopplers dient als Schnittstelle zu einem bidirektionalen Wellenleiter, der ent- weder ebenfalls integriert oder als angekoppelte Faser mit passendem Querschnitt ausgeführt werden kann. Der zweite Port 7 dient als Ausgangsport, wobei ein photoelektrisches Element 5 eine optoelektronische Wandlung der empfangenen Signale durchführt. Der dritte Port 8 de- finiert den Eingangsport des Kopplers. Hier werden die gesendeten optischen Signale in die Kopplerstruktur eingekoppelt. Aus der Portdeklaration können die Sende- und Empfangsrich- tung innerhalb des bidirektionalen Kopplers abgeleitet werden. Die Senderichtung ist durch den geraden Wellenleiter gegeben, der durch eine Maskenöffnung 11 erzeugt wird, der im Schnitt- bereich beider Äste in den bidirektionalen Zweig mündet. Der Leistungsfluss bzw. die Effizi- enz des Kopplers in Senderichtung η _TX ist somit durch das Verhältnis zwischen Sendeleistung im bidirektionalen Port P _{1 T X} und Eingangsleistung P ₃ definiert. Als Empfangsrichtung innerhalb der Struktur ist der S-förmige Abschnitt 12 des Kopplers de- klariert. Die Effizienz in Empfangsrichtung η _{R X} wird durch das Verhältnis der Ausgangsleis- tung P ₂ zur Empfangsleistung im ersten Port P _{1 X} bestimmt.

Die Aufgabe des integrierten bidirektionalen Kopplers ist die Entkopplung von Sende- und Empfangsrichtung, um eine fehlerhafte Detektion von Datensignalen zu vermeiden. Die Ent- kopplung beschreibt dabei eine zunehmende Effizienz in Empfangsrichtung und diametralem Verhalten des Crosstalks, welcher dem Übersprechen vom ersten Port 6 auf den dritten Port 8 entspricht. Gleichzeitig sollte die Struktur in Senderichtung möglich effizient arbeiten. Daraus lässt sich eine Gesamteffizienz h η _TX η _RX ableiten, welche die Qualität des entwickelten Bauteils beschreibt. Es werden verschiedene An- sätze für eine Optimierung der Struktur gewählt. Der Bendwinkel a, welcher durch α = arctan definiert ist, bestimmt die Verluste in Empfangsrichtung und hat Einfluss auf die Breite des Koppelbereichs beider Äste. Der Maskensteg d _m führt zu einer Entkopplung von Sende- und Empfangsrichtung. Gleichzeitig führt eine Entkopplung jedoch zu höheren Verlusten in Sende- richtung. Mit dem Offset des Sendezweigs d ₀ wird die Position des Koppelbereichs bestimmt, welche die Effizienzen in beide Richtungen beeinflusst. In früheren Untersuchungen wurde für größere Strukturbreiten von d ₁ = 50 μm zusätzlich der Einfluss von verschieden Profilab- schlüssen des Sendezweigs untersucht. Diese haben jedoch keine Auswirkungen auf die Effi- zienzen der gefertigten Koppler in einem feldgestützten Diffusionsprozess. Durch Strukturbrei- ten von d ₁ ≤ 3 μm lassen sich die verschiedenen Profilabschlüsse in der Strukturierung der

Diffusionsbarrieren nicht abbilden und resultieren in einem rechteckigen Profilabschluss. Zu- sätzlich wirkt ein feldgestützter Diffusionsprozess glättend auf kleinere Unregelmäßigkeiten in der Strukturierung, weshalb auch bei exakter Abbildung der Maske 9 kein Effekt auf die Wel- lenleiter feststellbar ist. Daher wird, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Maske 9 bereitgestellt, wobei die Maske 9 zumindest eine erste Maskenöffnung 10 für einen ersten Diffusionswellenleiter umfasst, wobei der erste Diffusionswellenleiter als bidirektionalen Zweig ausgeführt ist, um als Empfangszweig des integrierten bidirektionalen optischen Kopplers zu dienen. Die erste Mas- kenöffnung 10 ist dabei streifenförmig ausgebildet und umfasst einen S-förmigen Bereich 12, wobei der S-förmige Bereich 12 gebildet ist aus einem ersten geradlinig verlaufenden Bereich 13 und einem zweiten geradlinig verlaufenden Bereich 14, wobei der zweite Bereich 14 sich parallel zum ersten Bereich 13 in einem Abstand d _α und seitlich versetzt um die Länge l _α zu dem ersten Bereich 13 erstreckt .Der erste geradlinig verlaufende Bereich 13 und der zweite geradlinig verlaufende Bereich 14 sind mittels eines S-förmige Bogens 12 miteinander verbun- den, wodurch sich ein Bendwinkel a zwischen dem ersten geradlinig verlaufenden Bereich 13 und dem zweiten geradlinig verlaufenden Bereich 14 definiert durch α = arctan ergibt. Die erste Maskenöffnung 10 weist dabei eine erste Breite di auf. Die Maske 9 umfasst weiter zumindest eine zweite streifenförmig Maskenöffnung 11 für einen zweiten Diffusions- wellenleiter, wobei der zweite Diffusionswellenleiter derart eingerichtet ist, als Sendezweig zu dienen. Die zweite Maskenöffnung 11 ist geradlinig ausgeführt und nähert sich in einem Kopp- lungsbereich 15 des ersten geradlinig verlaufenden Bereichs 13 der ersten Maskenöffnung 10 bis auf einen Abstand d _m an, so dass in der Maske 9 ein Maskensteg mit einer Breite d _m ver- bleibt. Zwischen dem ersten geradlinig verlaufenden Bereich 13 der ersten Maskenöffnung 10 und der zweiten Maskenöffnung 10 besteht ein vertikaler Abstand d ₀ . Die zweite Maskenöff- nung 10 weist dabei eine zweite Breite d ₂ auf. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass die Breite d ₂ der zweiten Maskenöffnung 11 kleiner als die Breite di der ersten Masken- öffnung 10 ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Maske 9 einen Bendwin- kel a von im Wesentlichen 5° auf. Der vertikaler Abstand d ₀ ist im Wesentlichen 0 μm und der Maskensteg d _m weist eine Breite im Wesentlichen von 300 μm auf. In einem weiteren Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung weist die erste Maskenöffnung 10 für den ersten Diffusionswellen- leiter eine Breite di vom im Wesentlichen 3 μm auf und die zweite Maskenöffnung 11 für den zweiten Diffusionswellenleiter eine Breite d ₂ von kleiner gleich 1 μm auf.

Zur Fertigung des integrierten optischen Kopplers in Dünnglas 16 wird in einem Ausführungs- beispiel der Erfindung ein zweistufiger Ionenaustauschprozess eingesetzt. In Fig. 4 ist der ers- te Prozessschritt schematisch dargestellt. Vor dem ersten Prozessschritt wird auf der Glasober- fläche eine Metall Schicht, die als Diffusionsbarriere wirkt, durch einen Dünnschichtprozess aufgewachsen und mittels Photolithographie die zuvor beschriebene Maske 9 strukturiert. Der strukturierte Wafer wird anschließend im ersten Prozessschritt in einem Ofen auf die Prozes- stemperatur erhitzt. Glas ist ein amorphes Material, in dessen Netzstruktur sich je nach Zusam- mensetzung des Glases verschiedene schwach gebundene Ionen befinden. Erhitzt man nun das Glas, brechen die schwachen Bindungen auf und die freien Austauschionen können durch Fremdionen ersetzt werden. Diese Eigenschaft nutzt man in einem Diffusionsprozess gezielt aus. Durch Benetzung der Glasoberfläche mit einer AgN0 ₃ -Schmelze 17 findet in den Mas- kenöffnungen 10, 11 ein Ionenaustausch statt. Freie Nationen werden durch Ag ⁺ -Ionen aus der Schmelze 17 ersetzt.

Der Austausch von Na ⁺ - durch Ag ⁺ -Ionen bewirkt eine lokale Änderung der optischen Eigen- schaften des Glases 16. Da die Silberionen eine unterschiedliche Größe und Polarisierbarkeit gegenüber den Natriumionen aufweisen, kann durch den Ionenaustausch der lokale Brechungs- index des Glases in Abhängigkeit der Ag ⁺ -Ionen Konzentration gegenüber dem ur- sprünglichen Brechungsindex n _s erhöht werden und es gilt:

Unterstützt wird die so beschriebene rein thermische Diffusion durch das Anlegen eines exter- nen elektrischen Feldes. Im ersten Prozessschritt werden so Wellenleiter mit einem D-Profil im Bereich der Maskenöffnung 10, 11 erzeugt, deren räumliche Ausdehnung durch die Prozesspa- rameter der Prozesszeit, der angelegten elektrischen Feldstärke und der Prozesstemperatur be- einflusst werden können.

Der zweite Prozessschritt wird zum Vergraben der Wellenleiter und zur Profilformung einge- setzt uns ist in Fig. 5 gezeigt. Dazu wird zunächst die als Diffusionsbarriere verwendete Mas- ke 9 durch einen Ätzprozess entfernt und es findet ein zweiter feldgestützter Diffusionsprozess in einer NaN0 ₃ -Schmelze 19 statt. Durch ein, z.B. mittels einer Spannungsquelle 18, angeleg- te elektrische Feld wird der Wellenleiter tiefer in den Glasblock 16 getrieben, an der Glasober- fläche wandern Originalionen aus der Schmelze 19 in das Glassubstrat 16 und durch einen Kon- zentrationsgradienten findet eine Profilformung der Wellenleiter statt. Somit ist die Struktur des bidirektionalen optischen Kopplers durch die Strukturierung der Maske 9 vorgegeben.

Zur Beurteilung ihrer Qualität wurden die Prototypen von gefertigten integrierten Kopplern hinsichtlich ihrer Effizienzen vermessen. Dabei wurde der Einfluss der Optimierungsparame- ter in verschiedenen Messreihen untersucht. In allen Messreihen wird eine Variation des Mas- kenstegs d _m in einem Bereich von 0 μm bis 500 μm in Schrittweiten von 50 μm betrachtet.

In der in Fig. 9 gezeigten Messreihe wurde ein veränderlicher Offset des Sendezweigs d ₀ mit den Werten d _0,1 = 0 μm, d _0,2 = 10 μm und d _0,3 = 20 μm bei einem Bendwinkel a = 3° variiert. Die Messergebnisse sind in Fig. 9 dargestellt. Dabei sind die Verläufe der Effizienzen in Sen- derichtung gestrichelt und in Empfangsrichtung kontinuierlich geplottet. Man erkennt, dass durch eine Vergrößerung des Maskenstegs d _m eine Entkopplung zwischen Sende- und Emp- fangsrichtung erreicht werden kann. In Fig. 10 ist die Gesamteffizienz h als Produkt der Ein- zeleffizienzen η _RX und h _tc in Sende- und Empfangsrichtung dargestellt. Dabei werden gemes- sene Verläufe, die kontinuierlich dargestellt werden, mit numerisch berechneten Ergebnissen, welche gestrichelt ausgeführt sind, verglichen. Man erkennt, dass eine maximale Gesamteffizi- enz h von knapp 57% gemessen werden kann. Die numerisch bestimmen Ergebnisse zeigen gu- te qualitative und quantitative Übereinstimmung, wobei festzustellen ist, dass die maximale Ge- samteffektivität aller berechneten Verläufe größer ist als die gemessenen Werte.

Um die Übereinstimmung von Simulation und gemessenen Ergebnissen zu veranschaulichen, sind in Fig. 7 und Fig. 8 numerische Berechnung und Messergebnisse gegeneinander aufgetra- gen. Daraus kann abgeleitet werden, dass durch eine numerische Berechnung die Gesamteffi- zienzen der gefertigten Koppler in Abhängigkeit ihrer Optimierungsansätze gut vorhergesagt werden können. Fig. 7 zeigt ein Diagramm des Vergleichs von Simulation und Messung in Empfangsrichtung und Fig. 8 ein Diagramm des Vergleichs von Simulation und Messung in Senderichtung.

In weiteren Messreihen wurde ein veränderlicher Bendwinkel a mit den Werten α ₁ = 3°, α ₂ = 4° und α ₃ = 5° bei einem Offset des Sendezweigs von d ₀ = 20 μm variiert. Die Messergebnisse sind in Fig. 13 dargestellt. Dabei sind die Verläufe der Effizienzen in Senderichtung gestrichelt und in Empfangsrichtung kontinuierlich geplottet. Die Fig. 13 zeigt ein Diagramm der Messer- gebnisse in Sende- und Empfangsrichtung bei einem Bendwinkel a. Man erkennt in dieser Messreihe, dass durch einen größeren Bendwinkel a eine Entkopplung der Einzelrichtungen unterstützt werden kann. Gleichzeitig nehmen die Verluste in Senderichtung zu.

In Fig. 14 ist die Gesamteffizienz h als Produkt der Einzeleffizienzen q _RX und h _tc in Sende- und Empfangsrichtung dargestellt. Dabei werden gemessene Verläufe, die kontinuierlich dar- gestellt werden, mit numerisch berechneten Ergebnissen, welche gestrichelt ausgeführt sind, vergleichen. Die Fig. 14 zeigt ein Diagramm des Vergleichs von simulierter und gemessener Gesamteffektivtät h. Es ist zu erkennen, dass die bidirektionalen Koppler bei kleineren Mas- kenstegen bis d _m = 200 μm mit knapp h = 60% sehr effizient arbeiten. Anschließend fallen die Verläufe mit größerem Offset des Sendezweigs stark ab. Auch für diese Messreihe sind nu- merische Berechnungen und Messergebnisse in Fig. 11 und Fig. 12 miteinander verglichen. Die Fig. 11 zeigt ein Diagramm des Vergleichs von Messung und Simulation in Empfangsrichtung und die Fig. 12 zeigt ein Diagramm des Vergleichs von Messung und Simulation in Senderich- tung. Mit Ausnahme des Bendwinkels α = 5° in Senderichtung sind gute qualitative und quan- titative Übereinstimmungen der Verläufe zu erkennen.

Aus den Messergebnissen von gefertigten Wellenleitern und dem Vergleich mit numerisch be- rechneten Ergebnissen können wir ableiten, dass eine numerische Analyse valide Ergebnisse hervorbringt. Neben den Anpassungen im Design, welche durch die Parameter des Masken- stegs d _m , dem Offset des Sendezweigs d ₀ und dem Bendwinkel a Einfluss auf die Struktur des Wellenleitern nehmen, bietet eine variable Maskenöffnungsbreite die Möglichkeit den Brech- zahlhub und damit die numerische Apertur des Sendezweigs bei gleichen Prozessparametern anzupassen. In Fig. 6 ist der Einfluss von verschiedenen Maskenbreiten auf das Konzentrati- onsprofil der Wellenleiter dargestellt. Es ist zu erkennen, dass eine Verkleinerung der Masken- öffnung eine Reduktion der Silberionen Konzentration im Sendezweig gegenüber dem Emp- fangszweig bewirkt. Da die Konzentration der Silberionen C _A durch mit der Brechzahl n korreliert kann so eine kleinere numerische Apertur N _A mit im Sendezweig erreicht werden.

Mittels einer variablen numerischen Apertur ist es möglich Verluste in Senderichtung zu mini- mieren und gleichzeitig eine verbesserte Entkopplung in Empfangsrichtung zu ermöglichen. Somit kann eine Anpassung der numerischen Apertur des Sendezweigs der Koppeleffizienzen verbessert werden. Der Akzeptanzwinkel γ eines Wellenleiters, welcher durch γ = arcsin (N _A ) bestimmt ist, korreliert mit der numerischen Apertur des Wellenleiters. Somit erhöht sich die Akzeptanz im Empfangszweig gegenüber dem Sendezweig durch variable Maskenbreiten. In der in Fig. 16 gezeigten Messreihe wird der Einfluss von variablen Sendezweigbreiten d ₂ nu- merisch betrachten. Die Sendezweigbreite d ₂ wird mit dem Werten d ₂ = 1 μm, d ₂ = 1.5 μm, d ₂ = 2 μm und d ₂ = 2. 5 μm bei variablem Offset des Sendezweig d _{0, 1} = 0 μm (kontinuierlich), d _{0 2} = 10 μm (gestrichelt) und d _0,3 = 20 μm (gepunktet) und einem Bendwinkel = 5° variiert. In Fig. 16 ist zunächst die Effizienz in Senderichtung dargestellt. Wie zu sehen, ist für alle Variatio- nen des Offsets d ₀ ein Anstieg der Effizienz zu erkennen. Die Variation der Zweigbreite des Sendezweigs hat jedoch auch einen Einfluss auf die Effizienz der Struktur in Empfangsrich- tung, die in Fig. 15 dargestellt ist. Für kleinere Maskenstege d _m verbessert sich das Verhältnis der ankommenden gegenüber der eingekoppelten Leistung und für größere Maskenstege ist nur eine geringe Verschlechterung der Effizienz zu erkennen, so dass die Gesamteffizienz, die in der Fig. 17 dargestellt ist, optimiert werden kann.

Es ist zu erkennen, dass neben den strukturellen Anpassungen durch d ₀ , d _m und a durch eine Anpassung der optischen Eigenschaften des Sendezweigs eine Verbesserung aller Kurven der Gesamteffizienz zu erkennen ist. Die Veränderung der numerischen Apertur des Sendezweigs ist dabei durch eine Anpassung der Maskenöffnung des Sendezweigs gegenüber der des Emp- fangszweigs bei gleichen Prozessparametern möglich. So kann eine Gesamteffizienz h von h = 67. 5% erreicht werden, was gegenüber den bisherigen untersuchten Strukturen eine Steige- rung um 6.24% darstellt. Weitere Untersuchung bei variablem Bendwinkel a und variabler Sen- dezweigbreite d ₂ bieten das Potenzial für eine weitere Optimierungen.

Aus den gesammelten Erkenntnissen kann eine optimierte Koppler Struktur mit allen Struktur- parametem abgeleitet werden, die in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in optimaler Konfiguration mit einer Empfangszweigbreite d ₁ = 3 μm, einer Sendezweigbreite d ₂ = 1 μm, einem Bendwinkel a=5°, einem Offset des Sendezweigs d ₀ = 0 μm und einem Maskensteg d _m = 300 μm eine Gesamteffektivität von 67 5% erreicht. Das Maskendesign der Struktur ist wie oben bereits beschrieben in Fig. 3 dargestellt.

Somit kann eine Anpassung der numerischen Apertur des Sendezweigs der Koppeleffizienzen verbessert werden.

Neuheit dieser Erfindung ist die Optimierung einer bestehenden Struktur für einen integrierten optischen Richtkoppler mittels einer Anpassung der optischen Eigenschaften des Sendezweigs, was durch eine Variation der Maskenöffnungsbreite des Sendezweigs gegenüber dem Emp- fangszweig umgesetzt wird. Diese beeinflusst die numerische Apertur und damit den Akzep- tanzwinkel des Wellenleiters. Diese Anpassung ist ohne Einflussnahme auf Prozessparameter und unabhängig von strukturellen Optimierungsansätzen möglich. Wie zuvor beschrieben, ist mit der Anpassung der numerischen Apertur des Sendezweigs eine Steigerung des der Ge- samteffizienz in den numerischen Versuchsreihen zu erkennen. Dabei ist weiterhin eine ausrei- chend große numerische Apertur des Sendezweigs gegeben. Durch entsprechende äußere Be- schaltung kann zusätzlichen die Varianz der Apertur gegenüber dem Empfangszweig kompen- siert werden. In ihrer Gesamtheit löst die vorgestellte Erfindung die technische Problemstel- lung einer Entkopplung von Sende- und Empfangsrichtung bei der bidirektionalen Datenüber- tragung über einen einzelnen Wellenleiter und ermöglicht so eine fehlerfreie Übertragung in al- len Übertragungsszenarien wie im einleitenden Teil der Beschreibung beschrieben.

In Fig. 18 ist die ankommende Leistung im Port 3 in Empfangsrichtung als Maß für eine Ent- kopplung beider Zweige dargestellt. Gegenüber dem aktuellen Stand der Technik kann bei opti- maler Parameterkonfiguration eine höhere Gesamteffizienz als in den bisher untersuchten Strukturen erreicht werden und durch einen feldgestützten Ionenaustausch als Fertigungspro- zess ist die Erfindung für eine industrielle Serienfertigung geeignet, was einen Vorteil gegen- über rein thermisch prozessierten Wellenleiter bietet. Durch einen Wellenleiterquerschnitt von 50 μm bzw. 62,5 μm, der bei gleicher Maskenstruktur rein durch die Prozessparameter des Io- nenaustauschs definiert wird, ist es möglich den Koppler ebenfalls als planaren Wellenleiter in verschiedenen faseroptischen Anwendungen einzusetzen. Zudem grenzt sich die Kopplerstruk- tur durch ihre Ausführung als Glaswellenleiter von den bidirektionalen Kopplern, welche be- reits erforscht und als Plastikfasern ausgeführt wurden, ab. Als passive Komponente, welche die Realisierung einer bidirektionalen Kommunikation durch eine Entkopplung der Einzellei- ter ausführt, weist die Erfindung zusätzliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Der integrierte bidirektional Koppler kann für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel als bidirektionale optische Inter-Chip-Connection, als asymmetrischer Leistungs- teiler in Faseranwendungen, als bidirektionaler Koppler in Sensorikanwendungen und in opti- sche Busstrukturen.

B ezugszeichenli ste

Übertragungskanal 1 Station 1 2 Station 2 3 Laserdiode 4 Photodiode 5 erster Port 6 zweiter Port 7 dritter Port 8 Maske 9 erste Maskenöffnung 10 zweite Maskenöffnung 11 S-förmiger Bereich 12 erster geradliniger Bereich der ersten Maskenöffnung 13 zweiter geradliniger Bereich der ersten Maskenöffnung 14 Kopplungsbereich 15 Dünnglas 16 AgN0 ₃ -Schmelze 17 Spannungsquelle 18 NaN0 ₃ -Schmelze 19 Senderichtung TX Empfangsrichtung RX Datenstrom D ₁ Datenstrom D ₂ Bendwinkel a Horizontale Versetzung 1a vertikale Versetzung Maskensteg d _m

Offset des Sendezweigs d ₀

Breite der ersten Maskenöffnung d ₁

Breite der zweiten Maskenöffnung d ₂ Ag ⁺ -Ionen Konzentration C _A