CH628154A5

CH628154A5 - Anordnung zur modulierung des lichtes in einem optischen wellenleiter fuer uebertragungszwecke in optischen fernmeldeanlagen.

Info

Publication number: CH628154A5
Application number: CH184278A
Authority: CH
Inventors: Stephen Wright
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1978-02-21
Publication date: 1982-02-15
Also published as: GB1572874A; FR2381328B1; AU3341678A; FR2381328A1; DE2804363C2; BR7801058A; DE2804363A1; US4184738A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Modulation bzw. Schaltung des Lichtes in mindestens einem optischen Wellenleiter, für Übertragungszwecke in optischen Fernmeldeanlagen.

Derartige Anordnungen sind bereits bekannt, siehe z.B. die US-PS 3 806 226 oder die GB-PS 1 409 043.

Das Aufkommen der optischen Übertragungstechnik erfordert die Verwendung von Steuerungen der zur Übertragung benötigten Einrichtungen oder des zu übertragenden Lichts. Bisher waren diese Steuergeräte kompliziert und folglich nur mit grossem Kostenaufwand herstellbar. Ausserdem bestand und besteht das Problem, eine optische Wellenleiter-Anordnung in einem Material zu bilden, dessen physikalische Eigenschaften,

z.B. die mechanische Festigkeit, bestimmten Verwendungsanforderungen entsprechen; dies gilt insbesondere für Breitband-Wellenleiter in Verbindung mit Multimode-Fasern.

Für Multimode-Fasersysteme, in welchen der Durchmesser des zu koppelnden Faserkerns ungefähr 20-50 [xm beträgt, können Wellenleiter-Anordnungen durch Herunterpolieren des Grundmaterials hergestellt werden. Diese Technik eignet sich jedoch wenig für Modulatoren bzw. Schalter, welche die Beu-gungs- oder die Ablenkungsschaltmethode verwenden, da die lichtleitenden Strukturen sehr komplexer Natur sein müssten.

Die vorliegende Erfindung versucht, die oben erwähnten Schwierigkeiten zu umgehen, wobei die Lösung des Problems dem Wortlaut des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Die erfindungsgemässe Anordnung ist einfach und verhältnismässig billig und ist derart ausgebildet, dass die Modulation, Schaltung und Kopplung auch gleichzeitig durchführbar ist, d.h. die Kopplungsregion eines Kopplers kann mit Elektroden versehen sein, an die elektrische Signale zur Modulation oder Schaltung des übertragenen Lichtes angelegt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Modulator bzw. Schalter.

Fig. 2 die Kopplung einer Lichtleitfaser an einen optischen Wellenleiter, der das zu modulierende Licht überträgt, im Grundriss und im Querschnitt.

Fig. 3 die Verwendung eines aufgeweiteten Teils des Wellenleiters zur Kopplung einer Lichtleitfaser an die Koppelregion des Wellenleiters, im Grundriss.

Fig. 4 eine Ausführungsform der Modulatoranordnung gemäss der Erfindung im Schnitt und Grundriss unter Verwendung eines Beugungsmodulators.

Fig. 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Schalteranordnung im Schnitt und im Grundriss unter Verwendung eines optischen Prismenmodulators, und schliesslich

Fig. 6 und 7 die Trennung von Ausgangsstrahlen.

Die hier beschriebenen Anordnungen sind ein Zwischending zwischen aus «diskreten Elementen» hergestellten optischen Modulator-Schaltern und voll monolithischen Einrichtungen. Die Modulation wird durch Kopplung mittels eines elektrisch induzierten Phasengitters im Kristall erreicht, welches das Licht als Folge des Anlegens einer Spannung an eine verschachtelte (interdigitierte) Elektrodenstruktur beugt.

Diese Wechselwirkung im Gitter kann auch zu Schaltzwek-ken verwendet werden, da der Lichtstrom durch die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen gebeugten Ordnungen kanalisiert wird. Es können auch andere Wechselwirkungsgeometrien verwendet werden, z.B. prismenförmige Elektroden, siehe Fig. 5, die den Strahl in Abhängigkeit des Anlegens einer Spannung ablenken. Auch andere als elektrooptische physikalische Effekte können ihre Verwendung finden. Das Hauptproblem bleibt jedoch, wie bereits erwähnt, einen optischen Wellenleiter in einem Material mit gewünschten physikalischen Eigenschaften zu bilden, insbesondere, wenn Breitband-Wellenleiter mit grossen Indexdifferenzen benötigt werden (wie z.B. in Multimode-Fasersystemen). In diesem Falle können die Grenzen von Ablagerungs- oder Diffusionsprozessen erreicht werden. In der vorliegenden Anordnung werden Funktionen, wie z.B. die Justierung der Breite und der Divergenz des Eingangsstrahls, die Trennung der Ausgangsstrahlen, die Justierung des Ausgangs für eine wirksame Kopplung an eine Faser, usw., in einer optischen Schaltung durchgeführt, die auf einem Glassubstrat durch Ionenaustauschtechnik hergestellt wurde. Die Modulation wird durch Ankopplung an einen Wellenleiter aus dem aktiven Material bewirkt, wobei der aktive Wellenleiter durch das Herunterschleifen und Polieren eines Stücks des Grundmaterials auf die benötigte Dicke gebildet wird. Der Brechungsindex des «aktiven» Materials sollte höher sein als jener des durch die Ionen-

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austauschtechnik hergestellten Wellenleiters, was auch norma- Für beide hier vorgeschlagenen Methoden zur Modulation lerweise zutrifft, wie z.B. im Falle von Lithiumniobat LiNb03, bzw. Schaltung gilt, dass die Weite und Streuung der eintreten-n=2,18. Ausserdem muss das Material dick genug sein, um den Strahlen kontrolliert wird, wobei die Umwandlung des aus mindestens so viele, oder mehr Tiefenmodes als der Ionenaus- der Faser austretenden Lichtstrahls in den erwähnten, kontrol-tausch-Wellenleiter tragen zu können. Sind die Enden des Plätt- 5 Herten Strahl auf zwei Arten durchführbar ist: Bei der ersten, chens mit dem hohen Brechungsindex allgemein von Null bis nicht gezeigten Art wird ein System von Dünnfilm-Linsen ver-auf die endgültige Dicke über sehr viele Wellenlängen (das ist wendet, die durch Ionenaustausch hergestellt wurden. Die Koleinige Millimeter) aufgeweitet, wird die geleitete Energie in ir- limation, d.h. die Parallelausrichtung der Strahlen wird bei die-gend einem besonderen Mode des Glasleiters problemlos zum ser Art in gleicher Weise durchgeführt wie bei der diskrete Ele-entsprechenden Mode des Plättchens übertragen. io mente verwendeten Optik. Bei der zweiten Art (Fig. 2) wird der

In Fig. 1 wird ein optischer Wellenleiter 1 auf einer Oberflä- konische Teil 9 des Wellenleiters verwendet, der an einem seiche eines Substrats 2 gebildet, welches gleichfalls aus einem für ner Enden durch das Licht aus der Faser 8 gespeist wird und der die optische Übertragung geeigneten Material besteht, auch dieses aus der Faser 8 austretende Licht auf eine aufdiffundierte wenn sein Brechungsindex tiefer als jener des Wellenleitermate- Linse 10 wirft, welche Linse das Licht zu parallelen Strahl aus-rials ist. Auf der dem Substrat gegenüberliegenden Oberfläche is richtet (Kollimation).

des Wellenleiters befindet sich ein Block 3 aus kristallinem Ma- Eine weitere Verwendung des konischen Teils 9 des Wellen-

terial, wie z.B. LiNb03, dessen Brechungsindex grösser ist als leiters zur Strahlenkollimation wird in Fig. 3 gezeigt. Hier wird jener des Wellenleitermaterials. Dieser Block ist an den Wellen- die Faser 8 mit einem kurzen, parallele Seiten aufweisenden leiter durch eine dünne Bindeschicht 4 aus einem Bindematerial Wellenleiterstück 12 verbunden, welches Stück seinerseits mit gebondet, dessen Brechungsindex grösser ist als der des Wellen- 20 dem konischen Teil 9 des Wellenleiters in Verbindung steht, leitermaterials, jedoch kleiner als jener des Blocks 3. Die Enden Die Lichtpfade sind in der Figur angedeutet; es entsteht ein des Kristallblocks 3 sind abgeschrägt, siehe Figur, um den Ein- Strahl, der kollimiert in den den vollen Querschnitt aufweisentritt in bzw. den Austritt des Lichts aus dem Block 3 zu erleich- den Wellenleiterkörper 11 eintritt.

tern. Dies bewirkt, dass sich das Licht im Block 3 entlang dem Die Modulation bei einer elektro-optischen Methode wird

Pfad 5 in Richtung der Pfeile fortpflanzt. Die Modulation des 25 durch das Phasengitter gemäss Fig. 4 oder durch ein einfaches Lichts während des Durchgangs durch den Block 3 erfolgt durch elektro-optisches Prisma gemäss Fig. 5 erreicht. Im erstgenann-Anlegen von elektrischen Signalen an Elektroden oder an eine ten Fall trägt ein Kristallblock 20 an seiner dem Wellenleiter Elektrodenstruktur 6. abgewandten, äussern Oberfläche eine verschachtelte, (interdi-

Soll der Block 3 zur Kopplung zweier Wellenleiter verwen- gitierte), Elektrodenstruktur, deren einzelne Elektroden ab-det werden, überlappt er deren einander benachbarte Enden, 30 wechseln positiv und negativ gepolt sind, siehe Fig. 4. Im zwei-wobei diesen Enden entgegengesetzte Enden konisch verlaufen, ten Fall (Fig. 5) weist die äussere Oberfläche des Blocks zwei siehe «9» in Fig. 2. Die abgeschrägten Enden des Blocks 3 dreieckförmige Elektroden 21 und 22 auf, die mit den entge-

liegen hierbei über den den vollen Querschnitt aufweisenden gengesetzten Polen der Speisung verbunden sind und an die die Teilen (« 11 » in Fig. 2) der zu koppelnden Wellenleiter. In die- Signale angelegt werden. Diese zweite Auslegung ist einfacher sem Falle kann die Modulations- und Kopplungswirkung kom- 35 und steuerbarer, benötigt jedoch eine höhere Spannung.

biniert werden. Die Ausgangsstrahlen aus den letztbeschriebenen Einrich-

Der Querschnitt des Wellenleiters 1 und des Blocks 3 sind tungen sind weit und die zwei oder mehrere Schaltpositionen so gewählt, dass die Anordnung Multimode-Licht überträgt. sind lediglich durch einen kleinen Winkel voneinander getrennt.

Mit der erfindungsgemässen Anordnung können die nach- In einem kleinen Substrat entstehen Probleme mit der Tren-folgenden Funktionen oder Kombinationen dieser durchgeführt 40 nung dieser Ausgänge. Eine Lösungsmöglichkeit liegt in der werden: Verwendung einer weitern Dünnfilmlinse, um die entfernte a) Eingangskopplung Feldebene viel näher zu bringen. Der Strahl kann dann dort b) Strahlen-Kollimation getrennt werden, siehe Fig. 6, wo das Licht eine Ablenkvorrich-

c) Modulation/Schaltung tung, oder Gitter 24 über eine Linse 23 auf dem Weg zu einem d) Strahlen-Trennung 45 oder zum andern von zwei diffundierten Gittern passiert, welche e) Ausgangs-Kopplung. je einen Durchmesser der Grössenordnung von 50 |xm auf-

Eine Kombination von a) und e), bei welcher eine Faser 8 weisen.

durch Stumpfverbindung an den konisch verlaufenden Teil 9 . Eine weitere Möglichkeit könnte in der Verwendung eines eines Wellenleiters gekoppelt wird, ist aus Fig. 2 ersichtlich. Um passiven Gitters bestehen, siehe Fig. 7, welches als winkelemp-einen hohen Wirkungsgrad der Übertragung zu erreichen, müs- 50 findliches Filter als weitere Diffusionsstufe im Wellenleiter ge-sen die Brechungsindizes der Faser und des Wellenleiters ange- bildet wird. Der benötigte «Winkel-Gütegrad» kann durch lan-passt sein, was durch Ionenaustausch-Leiter erreicht wird. ge Gitter mit lediglich kleinen Indexstörungen erreicht werden.

2 Blatt Zeichnungen

Claims

628 154 PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur Modulation bzw. Schaltung des Lichtes in mindestens einem optischen Wellenleiter, für Übertragungszwecke in optischen Fernmeldeanlagen, gekennzeichnet durch mindestens einen optischen Wellenleiter (1, Fig. 1) aus einem optisch leitenden Material auf einem Substrat (2), dessen Brechungsindex kleiner als jener des Wellenleitermaterials ist, durch einen Block (3) aus einem optisch leitenden Material, dessen Brechungsindex höher als jener des Wellenleitermaterials ist, welcher Block auf dem Wellenleitermaterial abgelagert ist, wobei er zwei abgeschrägte Regionen an jedem seiner Enden aufweist, um die Lichtübertragung aus dem Wellenleiter in den Block an einem Ende und die Lichtübertragung aus dem Block in den Wellenleiter am andern Ende zu ermöglichen, weiter dadurch, dass die Dimensionen des erwähnten Wellenleiters und des Blocks derart ausgelegt sind, um eine Multimode-Licht-übertragung zu ermöglichen, und schliesslich durch Elektroden (6) auf einer äusseren Oberfläche des Blocks, an welche elektrische Signale angelegt werden, um das Licht im Wellenleiter zu modulieren.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Block aus Lithiumniobat besteht und durch eine transparente Bindeschicht (4), deren Brechungsindex zwischen jenem des Lithiumniobats und dem Wellenleitermaterial liegt, an das Wellenleitermaterial gebondet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtleitfaser (8, Fig. 2) an ein Ende des Wellenleiters über einen konischen Teil (9) und eine aufdiffundierte Linse (10) angeschlossen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtleitfaser an ein Ende des Wellenleiters über ein Dünnfilm-Linsensystem angeschlossen ist.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtleitfaser (8, Fig. 3) mit einem Wellenleiterstück (12) desselben Durchmessers wie die Faser stumpfverbunden ist, welches Stück seinerseits an den zu koppelnden Wellenleiter über den konischen Wellenleiterteil (9) angeschlossen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektro-optisches Prisma vorhanden ist, welches die Modulation des Lichts bewirkt.

7. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 1 zur optischen Kupplung zweier Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass beide Wellenleiter auf dem Substrat (2) angebracht sind und aus Materialien bestehen, deren Brechungsindexe jene des Substratmaterials übersteigen, dass der Block (3) die einander benachbarten Enden der Wellenleiter überlappt, wobei diesen Enden entgegengesetzte Enden (9) der Wellenleiter konisch ausgebildet sind, und dass die abgeschrägten Enden des Blocks je über den den vollen Querschnitt aufweisenden Teilen (11) der zu koppelnden Wellenleiter liegen.