Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung planar integrierter, asymmetrischer Multimode Wellenleiterverzweiger in Glas. Diese sind besonders interessant für Anwendungen in lokalen Datacom-Netzwerken, der Medizin und der Hochspannungstechnik. Als geeignetes Herstellungsverfahren wird der feldunterstützte Na+/Ag+ Ionenaustausch aus flüssigen Salzschmelzen untersucht. Hierbei werden Ag+ über die Oberfläche in das Glas eingebracht, um den Brechungsindex zu erhöhen. Durch die Verwendung von Masken, die via Photolithographie auf der Glasoberfläche aufgebracht werden, kann die Erhöhung des Brechungsindex lokal begrenzt werden, um optische Lichtwellenleiter herzustellen. Ein externes Feld beschleunigt den Ionenaustauschprozess, kann jedoch zu ungewünschten Verformungen der Wellenleiterprofile führen. Ein Simulationsmodell, basierend auf der Finite-Elemente-Methode, wird zur Berechnung der Lichtwellenleiterprofile entwickelt. Dieses bildet die Ionenaustauschprozesse anhand der Diffusionsgleichungen ab und erlaubt die Erstellung von dreidimensionalen planar integrierten Strukturen in Glas. Anschließend wird die Lichtausbreitung mittels wellenoptischer BPM-Simulation berechnet. Somit kann der experimentelle Aufwand signifikant reduziert werden und eine computergestützte Optimierung des Bauteildesigns erfolgen. Mit Hilfe des Modells werden vier verschiedene asymmetrische Multimode Verzweigervarianten entwickelt. Diese unterscheiden sich in ihrem Maskendesign und den gewählten Ionenaustauschparametern. Es wird untersucht, wie sich die Asymmetrie durch unterschiedliche Breiten der Verzweigerarme und deren Winkel steuern lässt. Ein neuartiger Ansatz, der ohne Maske und damit ohne Photolithographieprozess auskommt, wird vorgestellt. Hierbei wird ein Ultrakurzpuls-Laser genutzt, um Gräben in eine mit Silberionen angereicherte Schicht zu strukturieren. Der verbleibende Steg dient als Lichtwellenleiter. Für jede Verzweigervariante wird jeweils ein Funktionsmuster hergestellt. Die Wellenleiterprofile werden mittels eines Rasterelektronenmikroskops charakterisiert und anschließend werden die Ein- und Ausgänge der Verzweiger an optische Glasfaserkabel angekoppelt. Die Asymmetrie und die Verluste der Komponenten werden gemessen und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Das Verhalten bei Datenraten von 28 Gbit/s wird experimentell bestimmt, um so die Eignung für den Einsatz in optischen Kommunikationsnetzwerken zu gewährleisten.
The objective of this work is the investigation of planar integrated, asymmetric multimode splitters in glass. These are particularly interesting for monitoring data trafÏc in local datacom networks and also have applications in medical and high-voltage equipment. The field-assisted Na+/Ag+ ion exchange from molten salts is investigated as a suitable fabrication method. In this process, Ag+ is introduced into the glass across the surface to increase the refractive index. By applying masks to the glass surface via photolithography, the increase in refractive index can be locally limited to produce optical waveguides. An external field accelerates the ion exchange process but can lead to undesired deformations of the waveguide profiles. A finite element method simulation model for computing optical waveguide profiles is developed. It calculates the ion exchange processes using diffusion equations and thus enables the generation of three-dimensional planar integrated structures in glass. The light propagation is predicted by means of wave-optical BPM simulation. Thus, the experimental effort can be significantly reduced and an optimization of the design of the optical components can be realized. Using the model, four different asymmetric multimode splitter variants are developed. These differ in their mask design and in the chosen ion exchange parameters. It is investigated how the asymmetry can be controlled by varying the widths and angles of the splitter arms. A novel approach that does not require a mask or any photolithography process is presented. It involves an ultrashort pulse laser to cut two parallel grooves into a silver ion-enriched layer. The remaining ridge serves as an optical waveguide. A sample is fabricated as a proof of concept for each splitter variant. The waveguide profiles are characterized using a scanning electron microscope and the inputs and outputs of the splitter devices are coupled to optical fibers. The asymmetry and losses of the components are measured and compared with the simulation results. The behavior at data rates of 28 Gbit/s is determined experimentally to ensure suitability for use in optical communication networks.
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