DD203785A1 - Koppler fuer einmodenwellenleiter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Koppler fuer Einmodenwellenleiter und wird in der integrierten Optik als Interferenzeinheit und 100 % Koppler fuer alle Wellenleitertypen, insbesondere aber dort, wo die Wellenleiter eine kleine Brechungsindexdifferenz gegenueber den angrenzenden Medien aufweisen, eingesetzt. Es soll eine als Interferenzeinheit dienende Anordnung gefunden werden, die sich durch niedrige Herstellungskosten, grosze Reproduzierbarkeit und geringe Daempfung der geleiteten Mode auszeichnet. Erfindungsgemaesz besteht der Koppler aus zwei geraden parallel zueinander angeordneten Wellenleitern, die sich zueinander nicht im Koppelabstand befinden und die mit zwei weiteren, zu diesen Wellenleitern parallelen Wellenleitern eine Koppelregion bestimmter Laenge L aus den vier geraden, zueinander parallel angeordneten Wellenleitern bilden, in der sich jeder Wellenleiter zum jeweiligen benachbarten Wellenleiter im gleichen Koppelabstand befindet.

Description

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Titelt Koppler für Einmodenwellenleiter

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Kopplung zweier Einmodenwellenleiter und wird in integrierten optisehen Schaltungen als Interferenzeinheit und 100% Koppler eingesetzt·

Die Erfindung ist prinzipiell für jeden Wellenleitertyp anwendbar, besonders vorteilhaft jedoch dort, wo die Wellenleiter in wellenleitenden Bereich eine kleine Breehungsindexdifferenz gegenüber den angrenzenden Medien aufweisen (0,01 bis 0,001).

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bekannt ist eine Kopplung zweier nahezu identischer Wellenleiter über das evaneszente Feld durch ihre Parallelführung über eine gewählte Koppellänge im Koppelabetand· Die Wellenleiter werden aus einem nichtkoppeIndem Abstand durch Krümmung der Wellenleiter auf den Koppelabstand zusammengeführt und nach einer gewählten Koppellänge durch Wellenleiterkrümmungen wieder aus dem Koppelabstand herausgeführt.

In den Intensitäten der beiden Wellenleiter nach erfolgter Kopplung verbleibt eine Abhängigkeit von der Differenz der Anfangsphasen der vor der Kopplung eingekoppelten Pelder, wodurch die Phasendifferenz

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zweier Lichtwellen registriert wird. (E»A.J. Marcatili: "Dielectric Rectangular Waveguide and Directional Coupler for Integrated Optics", Bell Syst, Techn. Jour· 48 (1969)2071) Koppler mit gekrümmten Wellenleitern haben eine Dämpfung der geleiteten Mode· Um die Dämpfung gering zu halten sind große Krümmungsradien bis zu einigen 10 mm notwendig, wodurch die Größe des Bauelementes beeinflußt wird,

Bei den meisten technologischen Verfahren zur Herstellung von Wellenleiterstrukturen ist eine Maske erforderlich, deren photolitografische Herstellung durch treppenartige Montage kleiner quadratischer Belichtungsfelder erfolgt· Dieser treppenartige Rand wird durch die eingesetzten Technologien auf die Wellenleiterbegrenzungen übertragen, wodurch Verluste der optischen Energie auftreten. Die sich gegenüberliegenden Wellenleiterkrümmungen wirken selbst als Koppelregion mit nichtkonstandem Koppelabstand, wodurch sich die effektive Koppellänge aus den Beiträgen der Koppelregion, in der die Wellenleiter durch Wegkrümmung zum Koppelabstand zusammengeführt werden, der Koppelregion der im Koppelabstand parallel geführten geraden Wellenleiter und der Koppelregion, in der die Wellenleiter durch Wegkrümmung aus dem Koppelabstand herausgeführt werden, zusammensetzt·

leben den charakteristischen Parametern der Wellenleiter und dem Koppelabstand bestimmt dann auch die Punktion der Wegkrümmung die Koppellänge, wodurch die Reproduzierbarkeit der Bauelemente gering ist·

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Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist ein Koppler für Einmodenwellenleiter, der sich durch große Reproduzierbarkeit sowie niedrige Herstellungskosten auszeichnet und gleichzeitig eine nur geringe Dämpfung der geleiteten Mode aufweist·

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von Wellenleitern zu finden, die als Interferenzeinheit in der integrierten Optik dient· Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei gerade, zueinander parallele Wellenleiter, die sich zueinander nicht im Koppelabstand befinden, und zwei weitere zu diesen Wellenleitern parallele Wellenleiter so angeordnet sind, daß eine Koppelregion bestimmter Länge L aus vier geraden, zueinander parallelen Wellenleitern entsteht, in der sich jeder Wellenleiter zum jeweiligen benachbarten Wellenleiter im gleichen Koppelabstand befindet, in die Koppelregion zwei gerade, zueinander parallele Wellenleiter, die zueinander nicht im Koppelabstand liegen, hineinführen und aus der Koppelregion zwei gerade, zueinander parallele Wellenleiter, die sich zueinander nicht im Koppelabstand befinden, hinausführen.

Die bestimmte Länge L der Koppelregion wird vorteilhafter Weise so gewählt, daß die Intensitäten an den Enden der die Koppelregion beendenden Wellenleiter minimal ist und die Energie von den aus der Koppelregion herausführenden Wellenleitern übernommen wird· I⁵Ur die Funktion als Interferenzeinheit werden in die zwei geraden, zueinander parallelen und sich nicht im Koppelabstand befindenden Wellenleiter Felder (Licht)

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gleicher Intensität aber unterschiedlicher Anfangsphase eingekoppelt· Die Kopplung der evaneszenten Felder erfolgt über die zwei weiteren, zu den Wellenleitern parallelen Wellenleiter, da die vier Wellenleiter eine Koppelregion bilden, in der sich die jeweils benachbarten Wellenleiter im Koppelabstand befinden· In der Koppelregion wird die Verteilung der Intensität auf die Wellenleiter eine Punktion der Länge der Koppelregion· Die Länge L der Koppelregion wird so gewählt, daß die Intensitäten an den Enden der die Koppelregion beendenden Wellenleiter minimal ist, die Energie wird von den aus der Koppelregion herausführenden Wellenleitern übernommen, wobei die Intensität in den Wellenleitern außerdem von der Phasendifferenz der Anfangsphasen der eingekoppelten Felder abhängt· Die von dieser Phasendifferenz unabhängigen !Berme in beiden aus der Koppe lregion herausführenden Y/ellenleitern sind dabei gleich, die von der Phasendifferenz abhängigen Terme unterscheiden sich nur durch das Torzeichen· Dieser Zusammenhang ist Yoraussetzung für die Verwendung des Kopplers als Interferenzeinheit, wodurch die Phasendifferenz zweier Lichtwellen registriert wird·

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand dreier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert· Figur 1 zeigt eine Anordnung einer Interferenzeinheit nach der Erfindung in der ein erster gerader Wellenleiter 1 parallel zu einem sich nicht im Koppelabstand befindenden zweiten Wellenleiter 2 liegt und sich zwischen diesen beiden Wellenleitern ein

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Wellenleiter 3 der Länge L und ein Wellenleiter der Länge L parallel zu den Wellenleitern 1 und befindet, wodurch eine Koppelregion der Länge L (Z = 0 bis Z = L) gebildet wird· Die Abstände der jeweils benachbarten Wellenleiter der Koppelregion sind gleich und entsprechen dem Koppelabstand·

In die Wellenleiter 1 und 2 werden Felder (Licht) gleicher Intensität aber unterschiedlicher Anfangsphase eingekoppelt, am Orte Z=O, wobei Z die Ausbreitungsrichtung ist, bestehen daher folgende Anfangsbedingungen:

= 0

Auf der Grundlage der Modenkopplungsgleichungen (D. Marcuse, "Theory of Dielectric Optical Waveguides", Academic Bess Hew York and London,1974) kann für dieses Modell berechnet werden, wie sich die Intensitäten in einem bestimmten Ort Z der Wellenleiter verhalten· Die Lösung für die genann ten Anfangsbedingungen für die Intensitäten am Orte Z ist

/Oi/² = £{ A₁ (x) ♦ B₁ Cx) sinJtj j . _1j2j3)4

Die Intensitäten sind durch х^/ЭС/ · Z von der Koppelkonstante /2t/ und der Kordinate in Ausbreitungsrichtung Z abhängig· Die Abhängigkeit der Anfangsphasen geht durch -2-- f-ι ~* f 2 ^{in die} Intensitäten ein·

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Bei Z ш Ь an den Stellen χ « η · χ- = |Ут^ (η ganze positive Zahl) sind die Intensitäten /G-j/² = /G^/² s 0 und die Energie befindet sich in den Wellenleitern 1 und 2·

Für zum Beispiel χ в 5χ^. betragen die Intensitäten

/G₁/² = 1- sin

/C₀/² = 1+ sin

In den Intensitäten /C₂/² und /C₂/² verbleibt eine Abhängigkeit der Anfangsphasen der eingekoppelten Felder· Die von der Phasendifferenz abhängigen Terme in beiden Wellenleitern sind dabei gleich, die von der Phasendifferenz unabhängigen Terme unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen» Dieser Zusammenhang ist für die Punktion des Kopplers als Interferenzeinheit notwendig· Bei Einkopplung in nur einen Wellenleiter erhält man eine nahezu 10OfS Kopplung·

Figur 2 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung von vier geraden, zueinander parallelen Wellenleitern, wobei zwischen einem Wellenleiter 1 und einem Wellenleiter 3, die sich zueinander nicht im Koppelabstand befinden, ein Wellenleiter 2 und parallel zum Wellenleiter 3 ein Wellenleiter 4 angeordnet ist, wobei sich die jeweils benachbarten Wellenleiter im gleichen Koppelabstand befinden und die Wellenleiter 2 und 4 auf eine bestimmte Koppellänge L begrenzt sind· Die Einkopplung der Felder (Licht) gleicher Intensität aber unterschiedlicher Anfangsphasen erfolgt in die Wellenleiter 1 und 3·

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Pigur 3 zeigt eine Anordnung aus einem geraden Wellenleiter 1 und einem Wellenleiter 2, die sich zueinander nicht im Koppelabstand befinden, einem Wellenleiter 3 und einem Wellenleiter 4, wobei die vier Wellenleiter zueinander parallel liegen, die Wellenleiter 1 und 3 enden bei Z = L am Ende der Koppelregion, die Wellenleiter 2 und 4 beginnen bei Z = 0 am Anfang der Koppelregion, so daß die Koppelregion durch vier parallele gerade Wellenleiter 1-4 gebildet wird, die über das evaneszente PeId mit dem jeweils benachbarten Wellenleiter koppeln·

Pur die Anfangsbedingungen I₁ = e^' , I₃ = e^'^ I₂ = I4 = 0 bei ZsO lautet die Lösung der Modenkopplungsgleichungen für die Beispiele in Pigur 2 und Pigur 3

/C,/² s| JL (x) + B₁ (x) cos-ß. .

wobei Л. S^₁ - f ₃ und χ = /3t/ · Z betragen

η 2τ

An den Stellen χ - § z^, wobei x^ = ψρ beträgt, verhalten sich die Gleichanteile zueinander und die Wechselanteile wie folgt: A₁ s A₃ A₂ = A. B₁ = -Bo B₂ = -B₄, wobei mit wachsendem η nacheinander das Beispiel nach Pigur 2 und das Beispiel nach Pigur 3 abwechselnd auftritt.

Bei ζ·Β· ζ = ^- χ«. , Anordnung nach Pigur 2, betragen die Intensitäten am Orte Z = L in den einzelnen Wellenleitern

/C₁/² = 0,75 (1 - 0,8 cos Л.) /C₃/² = 0,75 (1 + 0,8 cos л.)

/C₉/² * O =ί? Energieverlust /С-/ 1= О =7 Energieverlust

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Bei z.B# χ = <iy Xjj , Anordnung nach Figur 3, betragen die Intensitäten am Orte Z = Lin den einzelnen Wellenleitern

/C₁/² + 0 => Energieverlust /C3/ * O => Energieverlust

/C₂/² s 0,9 (1 + 0,8 cosil)

/C₄/² = 0,9 (1 - 0,8 соад).

Beide Anordnungen sind mit einem· Energieverlust bis zu 20% verbunden, weisen aber die notwendigen Beziehungen für eine Interferenzeinheit auf und haben gleichzeitig die Vorteile der geraden Wellenleiter

Claims (2)

Erfindungsansprucfa

1. Koppler für Einmodenwellenleiter gekennzeichnet dadurch, daß zwei gerade, zueinander parallele Wellenleiter, die sich zueinander nicht im Koppelabstand befinden, und zwei weitere zu diesen Wellenleitern parallele gerade Wellenleiter so angeordnet sind, daß eine Koppelregion bestimmter Länge L aus vier geraden, zueinander parallelen Wellenleitern entsteht, in der sich jeder Wellenleiter zum jeweiligen benachbarten Wellenleiter im gleichen Koppelabstand befindet, in
die Koppelregion zwei gerade, zueinander parallele Wellenleiter, die sich zueinander nicht im Koppelabstand befinden, hineinführen und aus

der Koppelregion zwei gerade, zueinander parallele Wellenleiter, die sich zueinander nicht im Koppelabstand befinden, hinausführen·

2# Koppler nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet,

daß die bestimmte Länge L der Koppelregion so
gewählt ist, daß die Intensitäten an den Enden der die Koppelregion beendenden Wellenleiter
minimal ist und die Energie von den aus der
Koppelregion herausführenden Wellenleitern übernommen wird·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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