DD203785A1 - COUPLER FOR MONO WAVE - Google Patents

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DD203785A1 DD23647981A DD23647981A DD203785A1 DD 203785 A1 DD203785 A1 DD 203785A1 DD 23647981 A DD23647981 A DD 23647981A DD 23647981 A DD23647981 A DD 23647981A DD 203785 A1 DD203785 A1 DD 203785A1
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Martin Palme
Ulrich Burghoff
Ingo Stohn
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Martin Palme
Ulrich Burghoff
Ingo Stohn
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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.The invention relates to a coupler for single-mode waveguides and is used in integrated optics as an interference unit and 100% coupler for all waveguide types, but especially where the waveguides have a small refractive index difference with respect to the adjacent media. It is to be found serving as an interference unit arrangement, which is characterized by low production costs, high reproducibility and low damping of the guided mode. According to the invention, the coupler consists of two straight waveguides arranged parallel to one another, which are not in coupling distance with each other and form with two waveguides parallel to these waveguides a coupling region of certain length L from the four straight waveguides arranged parallel to each other, in which each one Waveguide to the respective adjacent waveguide in the same coupling distance is.

Description

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Titelt Koppler für Einmodenwellenleiter Titles coupler for single-mode waveguides

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Kopplung zweier Einmodenwellenleiter und wird in integrierten optisehen Schaltungen als Interferenzeinheit und 100% Koppler eingesetzt·The invention relates to the field of coupling two single-mode waveguides and is used in integrated optical circuits as an interference unit and 100% coupler.

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).The invention is in principle applicable to any waveguide type, but particularly advantageous where the waveguides in the waveguiding region have a small difference in refractive index with respect to the adjacent media (0.01 to 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. Characteristic of the Known Technical Solutions A coupling of two nearly identical waveguides over the evanescent field is known by their parallel guidance over a selected coupling length in the coupling · The waveguides are combined from a nichtkoppeIndem distance by curvature of the waveguide to the coupling distance and after a selected coupling length by waveguide curvatures again led out of the coupling distance.

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 PhasendifferenzIn the intensities of the two waveguides after coupling remains a function of the difference of the initial phases of the coupled before coupling Pelder, whereby the phase difference

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3 Ί Ij L L. i ^ ^ 1 'ν 'J O -i -С3 Ί Ij L L. i ^ ^ 1 ' ν ' J O -i-C

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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,two light waves is registered. (EJ Marcatili: "Dielectric Rectangular Waveguide and Directional Coupler for Integrated Optics", Bell Syst, Techn. Jour. 48 (1969) 2071) Curved waveguide couplers have attenuated mode conductance Radii of curvature of up to a few 10 mm are necessary, which affects the size of the component,

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·In most technological processes for the production of waveguide structures, a mask is required whose photolithographic fabrication is achieved by staircase-like mounting of small square exposure fields. This step-like edge is transmitted to the waveguide boundaries by the technologies used, whereby losses of the optical energy occur. The opposite waveguide curvatures themselves act as a coupling region with non-constant coupling distance, whereby the effective coupling length from the contributions of the coupling region, in which the waveguides are combined by path curvature to the coupling distance, the coupling region of the coupling distance parallel guided straight waveguide and the coupling region in which the Waveguides are guided out of the coupling distance by way of curvature.

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·then the puncturing of the path curvature determines the coupling length, whereby the reproducibility of the components is low

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Ziel der ErfindungObject of the invention

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·The object of the invention is a coupler for single-mode waveguides, which is characterized by high reproducibility and low production costs and at the same time has only a low attenuation of the guided mode.

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. Principle of the invention The invention has for its object to find an arrangement of waveguides, which serves as interference unit in integrated optics · The object is inventively achieved in that two straight, parallel waveguides, which are not located to each other in the coupling distance and two further waveguides parallel to these waveguides are arranged such that a coupling region of a given length L is formed by four straight waveguides parallel to each other, in which each waveguide to the respective adjacent waveguide is in the same coupling distance, into the coupling region two straight, mutually parallel Waveguide, which are not in the coupling distance to each other, lead in and out of the coupling region two straight, mutually parallel waveguide, which are not in the coupling distance to each other out.

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)The particular length L of the coupling region is advantageously chosen so that the intensities at the ends of the coupling region terminating waveguide is minimal and the energy is transferred from the leading out of the coupling region waveguides · I 5 Ur the function as the interference unit to be straight in the two , waveguides parallel to each other and not in the coupling distance fields (light)

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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·coupled the same intensity but different initial phase · The coupling of the evanescent fields via the two other, parallel to the waveguides waveguide, since the four waveguides form a coupling region in which the respective adjacent waveguide in the coupling distance · In the coupling region, the distribution of Intensity on the waveguides a puncture of the length of the coupling region · The length L of the coupling region is chosen so that the intensities at the ends of the coupling region terminating waveguide is minimal, the energy is taken from the leading out of the coupling region waveguides, the intensity in In addition, the waveguides are dependent on the phase difference of the initial phases of the coupled fields. The berms, which are independent of this phase difference, are the same in both waveguides leading out of the coupling region, the terms dependent on the phase difference differing h only through the gate · This connection is a requirement for the use of the coupler as an interference unit, whereby the phase difference of two light waves is registered.

Ausführungsbeispielembodiment

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 einThe invention will be explained in more detail with reference to three exemplary embodiments illustrated in the drawing. FIG. 1 shows an arrangement of an interference unit according to the invention in which a first straight waveguide 1 is parallel to a second waveguide 2 which is not located in the coupling distance and is inserted between these two waveguides

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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·Waveguide 3 of length L and a waveguide of length L parallel to the waveguides 1 and 1, whereby a coupling region of length L (Z = 0 to Z = L) is formed · The distances of the respective adjacent waveguides of the coupling region are equal and correspond coupling distance ·

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:In the waveguides 1 and 2 fields (light) of equal intensity but different initial phase are coupled, at the location Z = O, where Z is the propagation direction, therefore, have the following initial conditions:

= 0= 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 istBased on the model coupling equations (D. Marcuse, "Theory of Dielectric Optical Waveguides", Academic Bess Hew York and London, 1974), it is possible to calculate for this model how the intensities in a particular location Z of the waveguides behave the aforementioned initial conditions for the intensities at the location Z is

/Oi/2 = £{ A1 (x) ♦ B1 Cx) sinJtj j . 1j2j3)4 / Oi / 2 = £ {A 1 (x) ♦ B 1 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·The intensities are dependent on the coupling constant / 2t / and the coordinate in the propagation direction Z by х ^ / ЭС / · Z · The dependence of the initial phases is entered into the intensities by -2-- f-ι ~ * f 2 ·

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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·For Z ш Ь at the points χ «η · χ- = | Ут ^ (η whole positive number) the intensities / Gj / 2 = / G ^ / 2 s are 0 and the energy is in the waveguides 1 and 2 ·

Für zum Beispiel χ в 5χ^. betragen die IntensitätenFor example, χ в 5χ ^. amount to the intensities

/G1/2 = 1- sin/ G 1/2 = 1- sin

/C0/2 = 1+ sin/ C 0/2 = 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·In the intensities / C 2/2 and / C 2/2 a dependence of the early stages of the coupled fields · The dependent on the phase difference terms in both waveguides remains are equal, independent of the phase difference terms differ only by the sign "This Connection is necessary for the puncture of the coupler as an interference unit · When coupled into only one waveguide, a nearly 10OfS coupling is achieved ·

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·Figure 2 shows an arrangement according to the invention of four straight, mutually parallel waveguides, wherein between a waveguide 1 and a waveguide 3, which are not in the coupling distance to each other, a waveguide 2 and parallel to the waveguide 3, a waveguide 4 is arranged, wherein the respective adjacent waveguides are in the same coupling distance and the waveguides 2 and 4 are limited to a specific coupling length L. The fields (light) of the same intensity but different initial phases are coupled into the waveguides 1 and 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·Pigur 3 shows an arrangement of a straight waveguide 1 and a waveguide 2, which are not in the coupling distance to each other, a waveguide 3 and a waveguide 4, wherein the four waveguides are parallel to each other, the waveguides 1 and 3 ends at Z = L on At the end of the coupling region, the waveguides 2 and 4 start at Z = 0 at the beginning of the coupling region, so that the coupling region is formed by four parallel straight waveguides 1-4 which couple via the evanescent electrode to the respectively adjacent waveguide.

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 3The initial conditions I 1 = e ^ ', I 3 = e ^' ^ I 2 = I4 = 0 for ZsO is the solution of the mode coupling equations for the examples in Pigur 2 and Pigur 3

/C,/2 s| JL (x) + B1 (x) cos-ß. ./ C, / 2 s | JL (x) + B 1 (x) cos-β. ,

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

η 2τη 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.At the points χ - § z ^, where x ^ = ψρ, the equi- components to each other and the alternating components behave as follows: A 1 s A 3 A 2 = A. B 1 = -Bo B 2 = -B 4 , where with increasing η, the example according to Pigur 2 and the example according to Pigur 3 occur alternately.

Bei ζ·Β· ζ = ^- χ«. , Anordnung nach Pigur 2, betragen die Intensitäten am Orte Z = L in den einzelnen WellenleiternFor ζ · Β · ζ = ^ - χ «. , Arrangement according to Pigur 2, the intensities at the location Z = L in the individual waveguides

/C1/2 = 0,75 (1 - 0,8 cos Л.) /C3/2 = 0,75 (1 + 0,8 cos л.)/ C 1/2 = 0.75 (1 - cos Л. 0.8) / C 3/2 = 0.75 (1 + 0.8 cos л.)

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

36 4 7 9 236 4 7 9 2

Bei z.B# χ = <iy Xjj , Anordnung nach Figur 3, betragen die Intensitäten am Orte Z = Lin den einzelnen WellenleiternFor example, # χ = <iy Xjj, arrangement of Figure 3, the intensities at the location Z = Lin are the individual waveguides

/C1/2 + 0 => Energieverlust /C3/ * O => Energieverlust/ C 1/2 + 0 => energy loss / C3 / * O => Energy loss

/C2/2 s 0,9 (1 + 0,8 cosil)/ C 2/2 s 0.9 (1 + 0.8 cosil)

/C4/2 = 0,9 (1 - 0,8 соад)./ C4 / 2 = 0.9 (1 to 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 WellenleiterBoth arrangements are associated with energy loss up to 20%, but have the necessary relationships for an interference unit and at the same time have the advantages of straight waveguides

Claims (2)

ErfindungsansprucfaErfindungsansprucfa 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
1. coupler for single-mode waveguide, characterized in that two straight, mutually parallel waveguides, which are not in coupling distance to each other, and two more parallel to these waveguides straight waveguides are arranged so that a coupling region of certain length L of four straight, mutually parallel waveguides arises, in which each waveguide to the respective adjacent waveguide in the same coupling distance, in
the coupling region two straight, mutually parallel waveguide, which are not to each other in the coupling distance, lead in and out
der Koppelregion zwei gerade, zueinander parallele Wellenleiter, die sich zueinander nicht im Koppelabstand befinden, hinausführen·the coupling region two straight, mutually parallel waveguides, which are not in the coupling distance to each other out, ·
2# Koppler nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet,2 # coupler according to item 1 characterized 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·
that the determined length L of the coupling region so
it is chosen that the intensities at the ends of the coupling region terminating waveguide
is minimal and the energy of the out of the
Coupling region leading out waveguides ·
Hierzu 1 Blatt ZeichnungenFor this 1 sheet drawings 39073907
DD23647981A 1981-12-31 1981-12-31 COUPLER FOR MONO WAVE DD203785A1 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3501975A1 (en) * 1984-03-02 1985-09-05 Northrop Corp., Norwood, Mass. MULTI-CHANNEL OPTICAL WAVE RESONATOR

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3501975A1 (en) * 1984-03-02 1985-09-05 Northrop Corp., Norwood, Mass. MULTI-CHANNEL OPTICAL WAVE RESONATOR
US4630885A (en) * 1984-03-02 1986-12-23 Northrop Corporation Multichannel optical wave guide resonator

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