DE102005044730B4 - Optisches Element und Verfahren zur Steuerung seiner Übertragungsfunktion - Google Patents

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Abstract

Optisches Element bestehend aus elektro-optischem Material und Braggschem Phasengitter, das im elektro-optischen Material gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Braggsche Phasengitter (3) über ein Felderzeugungsmittel zur Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes mindestens auf Teilen der Länge des Gitters entlang der Richtung der Ausbreitung optischer Strahlung verfügt und als periodische Erhöhungen (6) und Vertiefungen (7) entlang der Richtung der Ausbreitung der Lichtstrahlung des optischen Wellenleiters (2), gebildet ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung gehört zum physikalischen Gebiet der Optik, und zwar zu den optischen Methoden und Einrichtungen für spektrale Filterung der optischen Strahlung. Diese basiert auf elektro-optischen Kristallen und wird zur Herstellung elektrisch gesteuerter engbandiger Filter sowie für die Herstellung der selektiven optischen Abschwächer und Modulatoren des Lichts und der optischen Equaliser verwendet.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Das Volumen der zu übermittelnden Information wächst zur Zeit überproportional und führt zur Entwicklung neuer Technologien, die es ermöglichen, die Datenübertragung der Telekommunikationsnetze zu erhöhen. Dabei ist eines der zukunftsorientiertesten Verfahren die Verdichtung der Signale in den Kanälen glasfaserbasierten optischer Netze der Datenübertragung (WDM – Wavelength Division Multiplexing). Die Übertragung von bis zu 80 Spektralkanälen, wobei Wellenlängen gleichen Abstandes im Spektrum von 1530 nm bis 1600 nm erzeugt werden, wird es in naher Zukunft ermöglichen, Übermittlungsgeschwindigkeiten von mehreren Terabit pro Sekunde in optischen Netzen zu erreichen. WDM wird erst dann in die Praxis effizient umsetzbar sein, wenn eine Vielzahl an optischen Elementen, z. B. Splitter, Router, Filter, Modulatoren, Verstärker usw. vorhanden sind. Außerdem ist es für die effektive Nutzung der neuen Möglichkeiten erforderlich, die Steuerung und Umschaltung optischer Signale sowie ihre Umgestaltung in elektronischer Weise zu erreichen. Auf diese Weise wächst zunehmend die Rolle der gesteuerten optischen Elemente, wie z. B. der optische Schalter und der steuerbaren optischen Filter.
  • Alle bekannten Methoden der spektralen Filterung der optischen Strahlung basieren auf Diffraktion der Strahlung in Braggs Phasengitter ("phase grating"), welche zuvor in einem photorefraktiven Kristall fixiert und geschrieben worden sind [G. A. Rakuljic, V. Leyva – "Volume holographic narrow-band optical filter". – Opt. Lett.- 1993, Vol. 18, N 6 p. p. 459–461]. Es ist möglich, sowohl das Volumen- als auch das Wellenleiter-Design von Braggs Phasengitter zu nutzen [J. Hukriede, I. Nee, D. Kip, E. Kraetzig – "Thermally fixed reflection gratings for infrared light in LiNbO3:Ti:Fe channel waveguides". – Opt. Lett. – 1998, Vol. 23, N17, p. p. 1405–1407].
  • Die eigentliche spektrale Filterung erfolgt auf folgende Weise. Bei der Beleuchtung des Kristalls durch einen Lichtstrahl in praktisch paralleler Richtung zu der Richtung des Vektors des Phasengitters reflektiert das Licht nur in der Wellenlänge, die jeweils der Braggschen Bedingung im Phasengitter entspricht, und zwar in umgekehrter Richtung. Das Licht des übrigen Wellenspektrums verläuft unverändert durch den optisch transparenten Kristall. Genau gesehen, reflektiert dabei das Licht am Phasengitter in einem bestimmten engen Wellenspektrum der Wellenlänge. Die zentrale Wellenlänge des Lichts λB entspricht der folgenden Formel: λB = 2nΛ
  • Dabei bedeuten:
    • n
    – mittlerer Brechungsindex des Kristalls
    Λ
    – Periode des Braggschen Phasengitters
  • Die spektrale Selektivität eines solchen Filters hängt von der Länge des Braggschen Phasengitters ab und entspricht folgender Formel:
    Figure 00020001
    Figure 00030001
  • Dabei bedeuten:
    • d
    – Wellenbereich des selektiven reflektierten Lichts
    n1
    – Amplitude der Veränderung des Brechungsindexes des Braggschen Phasengitters
    T
    – Länge des Phasengitters.
  • Zur Veränderung der gewählten Wellenlänge λ kann ein elektrisches Feld mit Feldstärke E quer zur Richtung der Strahlenausbreitung des Lichts angelegt werden [R. Muller, J. V. Alvarez-Bravo, L. Arizmendi, J. M. Cabrera. – Tuning of photorefractive interference filters in LiNbO3. – J. Phys. D: Apll. Phys. – 1994, Vol 27, p. p. 1628–1632]. Wegen des linearen elektro-optischen Effekts (Pockels-Effekt) hängt in den photorefraktiven Kristallen der mittlere Brechungsindex des Kristalls n von der Spannung des elektrischen Feldes E wie folgt ab.
  • Figure 00030002
  • Dabei bedeuten:
    • Δn
    – Variation des Brechungsindex des Kristalls
    n0
    – mittlerer Brechungsindex des Kristalls, unter der Bedingung E = 0
    r
    – effektiver elektro-optischer Koeffizient, der von der Richtung des elektrischen Feldes im Verhältnis zu den kristallografischen Achsen abhängt.
  • Bei der Veränderung der elektrischen Feldstärke E wird der Filter durchgestimmt, wobei eine bestimmte Wellenlänge λB der zu filternden Strahlung gewählt wird. Das Wellenleiterdesign ermöglicht die Erzeugung von Steuerfeldern bei einer relativ klein angelegten Spannung dank einem sehr kleinen Abstand zwischen den Elektroden (10 μm).
  • Es ist ein holographisches optisches Element bekannt [ US 5,440,669 A ], das die Funktion eines schmalbandigen optischen Filters erfüllt. Dieses Element besteht aus einem photorefraktiven Kristall, in dem das Braggsche Phasengitter eingeschrieben und fixiert ist. Das Element verfügt über eine sehr hohe spektrale Selektivität (es ist möglich, die Filter mit einer Breite der spektralen Übertragungsfunktion von mindestens 10 pm zu schaffen). Das Element kann zur Lichtfilterung genutzt werden sowie zur gleichzeitigen Filterung von mehreren Wellenlängen. Bei der Verwendung des bekannten holografischen Elements in faseroptischen Netzen wird Volumendesign und zusätzlich kollimierte Optik benötigt. Diese erfordert wiederum eine präzise Justierung. Dies ist äußerst kostenintensiv und ist damit für eine Massenproduktion nicht geeignet. Es ist ein Verfahren der elektrischen Umschaltung eines holografischen optischen Filters im photoreaktiven Kristall [M. P. Petrov, V. M. Petrov, A. V. Chamrai, C. Denz, T. Tschudi. – "Electrically controlled holpgraphic optical filter". – Proc. 27th Eur. Conf. an Opt. Comm. (ECOC'01 – Amsterdam). – Th.F.3.4, p. p. 628–629 (2001)] bekannt, bei dem im Kristall ein räumlich homogenes elektrisches Feld durch das Anlegen einer konstanten Spannung an den Kristall geschaffen wird. Bei der Veränderung der angelegten Spannung und der damit verbundenen Veränderung der elektrischen Feldstärke E wird der Filter abgestimmt, wobei eine bestimmte Wellenlänge λB der zu filternden Strahlung gewählt wird.
  • Der Nachteil dieses Verfahrens ist die Notwendigkeit der Nutzung von sehr hohen Steuerspannungen, die durch kleine elektrooptische Koeffizienten der benutzten photorefraktiven Materialien bestimmt werden. Weiterer Nachteil ist ein kleiner abstimmbarer Wellenlängenbereich in Höhe von maximal 1 nm für LiNbO3, begrenzt durch den elektrischen Durchschlag.
  • Es ist ein Verfahren der elektrischen Multiplexierung bekannt [M. P. Petrov, S. I. Stepanov, A. A. Kamshilin. – "Light diffraction from the volume holograms an electrooptic birefringent crystals". – Opt. Commun. – 1979, No. 29, p. p. 44–48], welches darin besteht, dass in ein und demselben Volumen des photorefraktiven Kristalls einige Braggsche Phasengitter eingeschrieben werden, bei unterschiedlichen Werden der elektrischen Feldstärke. Dieses Verfahren ermöglicht, den Wellenlängenbereich der elektrischen Durchstimmung des Filters zu verbreitern.
  • Bei Anwendung dieser Methode bestehen jedoch Begrenzungen bezüglich der Anzahl der umgeschalteten spektralen Kanäle (die durch eine maximale Zahl an elektrisch gemultiplexten Hologrammen bestimmt werden) sowie des Abstands zwischen den benachbarten Kanälen. Diese Begrenzung entsteht durch höchste Anforderungen an moderne Datenübertragungssysteme bezüglich Übersprechen. Bei der elektrischen Schaltung kommt es zu einer einfachen Verschiebung der zentralen Wellenlänge aller Gitter, die im Kristall eingeschrieben sind. Dabei entspricht der zentrale Wellenlängenbereich eines Gitters dem zentralen Wellenlängenbereich desjenigen spektralen Kanals, der in diesem Moment eingeschaltet ist. Gleichzeitig verursachen die restlichen Gitter zusätzliches Rauschen. Es ist ein elektrischer Schalter bekannt ( WO 00/02098 A1 ), der ein paraelektrisches photorefraktives Material beinhaltet, in welchem mindestens ein holographisches Gitter gebildet ist, mit zwei Elektroden, die auf den gegenüberliegenden Rändern des Materials aufgebracht sind, um ein äußeres elektrisches Feld anzuwenden.
  • Bei diesem Schalter wird jedoch das Kristall KLTN angewendet, in der paraelektrischen Phase, die nahe des Phasenübergangs wirkt. Dies erhöht wesentlich die Anforderungen an die Stabilisierung der Temperaturen dieser Konstruktion und begrenzt den Arbeitstemperaturbereich.
  • Es sind zur Zeit keine Verfahren zur Herstellung von Wellenleitern mit hoher Qualität mit dem Kristall KLTN bekannt. Daher sind die Konstruktionen auf der Grundlage des bekannten Verfahrens der Elektroholographie nur im Volumendesign herstellbar und erfordern sowohl hohe Umschaltspannungen wie auch komplexe optische Abstimmung. Dies hat lange Umschaltzeiten zur Folge.
  • Es ist fernerhin das Verfahren eines optischen Schalters ( US 4,039,249 A ) bekannt. Dieses Verfahren basiert auf einem quadratischen elektrooptischen Effekt. Dies ermöglicht, das im paraelektrischen Kristall eingeschriebene holographische Gitter elektrisch einzuschalten. Das Einschalten wird durch das Zusammenwirken der räumlich modulierten Verteilung des elektrischen Feldes, welches das holographische Gitter innerhalb des Kristalls bildet, sowie der Einwirkung des räumlich homogenen äußeren elektrischen Feldes erzeugt. Dieses bekannte Verfahren ermöglicht es, die Umschaltung des Lichts durchzuführen, und zwar sowohl in Richtung der Ausbreitung als auch in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Dieses bekannte Verfahren erfordert jedoch hohe Umschaltspannungen und komplexe optische Abstimmung. Dies hat lange Umschaltzeiten zur Folge.
  • Das Bauelement, das dem anzumeldenden Element bezüglich einer Vielzahl seiner wesentlichen Eigenschaften am nächsten kommt, ist das in US 5,832,148 A beschriebene optische Element. Es basiert auf einem Substrat, auf dem eine dünne Folie eines elektrooptischen Materials aufgebracht wurde, das einen größeren Brechungsindex besitzt als das Substrat selbst. Die oben liegende Folie wird als optischer Wellenleiter benutzt. In einer Weiterentwicklung davon wird ein spezifisches elektrooptisches Material (LiNbO3) als Substrat benutzt, und der optische Wellenleiter bildet sich durch die Diffusion einer Zwischenschicht von Titanionen. Auf der Oberfläche der elektrooptischen Schicht werden langgezogene Elektroden aufgebracht, an die eine steuernde Spannungsquelle angeschlossen ist. In die Wellenleiterschicht ist das Braggsche Phasengitter eingeschrieben.
  • Der Filter verfügt über eine sehr hohe spektrale Selektivität und erfüllt die Funktion eines elektrisch durchstimmbaren schmalbandigen optischen Filters (es ist möglich, Filter mit spektraler Selektivität von weniger als 10 pm zu schaffen). Das Design des Wellenleiters ermöglicht, große elektrische Feldstärke bei einer relativ kleinen Spannung zu schaffen, dank eines sehr kleinen Abstandes zwischen den Elektroden (10 μm).
  • Der Wellenlängenbereich der Durchstimmbarkeit eines solchen Filters ist jedoch begrenzt durch die Spannung des elektrischen Durchschlages und übersteigt im Falle des Filters auf der Grundlage des Kristalls LiNbO3 nicht mehr als 1 nm. Es ist ein weiteres Verfahren der Steuerung der Übertragungsfunktion eines optischen Filters bekannt, welches an die angebrachten Elektroden, die auf die Schichtoberfläche des elektrooptischen Materials aufgebracht sind, ein elektrisches Feld anlegt; vgl. Petrov, M. P. et al: "Electrically controlled integrated optical filter", Technical Physics Letters, Vol. 30, No. 2, 2004, S. 120–122, und US 4,039,249 . Die angelegte Steuerspannung bildet im elektrooptischen Material eine homogene elektrische Feldstärke, das sich entlang des Wellenvektors des Braggschen Phasengitters orientiert. Das ausgebildete elektrische Feld erzeugt eine Veränderung des Brechungsindex des elektrooptischen Materials und damit verbunden eine Veränderung der Lichtgeschwindigkeit innerhalb des Wellenleiters. Dies führt zu einer Veränderung der Lichtintensität des vom Braggschen Phasengitter reflektierten Lichts für eine bestimmte Wellenlänge.
  • Der Wellenlängenbereich der Durchstimmbarkeit eines solchen Filters ist jedoch begrenzt durch die Spannung des elektrischen Durchschlages und übersteigt im Falle des Filters auf der Grundlage des Kristalls LiNbO3 nicht mehr als 1 nm.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist zum einen die Herstellung optischer Elemente in einem integraloptischen Design, die multifunktionale Verwendung haben (durchstimmbare optische Filter, selektive optische Abschwächer und Modulatoren, optische Schalter sowie optische Equaliser) und die über hohe spektrale Selektivität, breiten Wellenlängebereich der Durchstimmbarkeit, große Dynamik und niedrige Tendenz zum Übersprechen verfügen. Ein weiteres Ziel dieser Erfindung war die Entwicklung eines Steuerungsverfahrens der oben genannten Elemente, die es ermöglichen, das Profil der Transferfunktion, die Lage des Maximums der Transferfunktion, die Zahl der zu selektierenden Kanäle, die Kompensation der Phasenverzerrung elektrisch zu steuern, bei Nutzung einer relativ niedrigen Steuerspannung, sowie mit hoher Geschwindigkeit der Durchstimmbarkeit und Schaltung.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch ein optisches Element nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Speziell wird sie dadurch gelöst, dass das optische Element auf einem elektrooptischen Material aufgebaut ist, in dem das Braggsche Phasengitter gebildet ist. Dabei verfügt das Gitter über ein Mittel zur Bildung räumlich inhomogener, externer elektrischer Felder mindestens auf Teilen der Länge des Gitters entlang der Richtung der Ausbreitung optischer Strahlung.
  • Das Braggsche Phasengitter kann im optischen Wellenleiter des elektrooptischen Materials gebildet werden, und zwar in der Form der periodisch aufgebrachten Erhöhungen und Vertiefungen der Oberfläche des Wellenleiters in der Richtung der Lichtausbreitung. Zusätzlich wird auf die Oberfläche des Gitters eine Schicht eines Materials aufgebracht, dessen Brechungsindex dem Brechungsindex des Substrats entspricht, oder aber vom Brechungsindex des Substrats um maximal 40% abweichen kann.
  • Das Mittel für die Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes kann durch Aufbringen von zwei Elektroden geschaffen werden, die sich an beiden Seiten des oben beschriebenen Gitters befinden.
  • Das Mittel für die Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes kann durch Aufbringen von zwei Elektroden geschaffen werden, die sich an beiden Seiten des oben beschriebenen Gitters befinden. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden verändert sich linear entlang der Richtung der Strahlenausbreitung.
  • Das Mittel für die Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes kann durch vier voneinander isolierte einzelne Elektroden geschaffen werden, die sich paarweise von den beiden Seiten des oben genannten Gitters befinden.
  • Das Mittel für die Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes kann durch vier voneinander isolierte einzelne Elektroden geschaffen werden, die sich paarweise von den beiden Seiten des oben genannten Gitters befinden. Der Abstand zwischen dem jeweiligen Elektroden-Paar vergrößert oder verkleinert sich linear entlang der Richtung der Strahlenausbreitung.
  • Das Mittel für die Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes kann durch Aufbringen von mindestens drei elektrisch von einander isolierten Elektroden geschaffen werden, die sich an beiden Seiten des oben genannten Gitters befinden und zur Steuerung der elektrischen Feldstarke an verschiedenen Punkten des oben genannten Gitters entlang der Richtung der optischen Strahlung bestimmt sind. Diese Konstruktion kann z. B. in der Anzahl N der oben genannten Elektroden ausgeführt werden; dabei wird die Anzahl der Elektroden N aus folgender Formel abgeleitet: N ≥ 2D/d (4)
  • Dabei bedeuten:
    • D
    – Wellenlangenbereich der elektrischen Durchstimmung des Filters
  • Die gestellte Aufgabe kann auch dadurch gelöst werden, dass die Steuerung des Profils der Transferfunktion des Filters, der auf einem elektrooptischen Material aufbaut, in welchem ein Braggsches Phasengitter ausgebildet ist, das wiederum über das Mittel zur Schaffung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes zumindest auf Teile der Gitterlange entlang der Richtung der Verbreitung optischer Strahlung verfügt, durch die Einwirkung mindestens auf einen Teil des Gitters eines räumlich inhomogenen externen elektrischen Feldes erfolgt, welches die Veränderung der Diffraktion der optischen Strahlung verursacht, und zwar bis zu deren maximaler Veränderung. Bei der Einwirkung eines räumlich inhomogenen externen elektrischen Feldes kann die Richtung des Vektors der elektrischen Feldstarke auf einem Teil des oben genannten Gitters in umgekehrter Richtung zu der des Vektors der elektrischen Feldstarke auf dem anderen Teil des Gitters gebildet werden.
  • Ein Gegenstand der Erfindung ist, dass die Diffraktion auf dem Braggschen Gitter, die im elektrooptischen Material erzeugt wird, durch die Bildung einer inhomogenen Verteilung des elektrischen Feldes innerhalb des Materials gesteuert wird.
  • Bei der Realisierung dieses Steuerverfahrens kann optische Strahlung entlang des Vektors des Gitters eingeführt (eingekoppelt) werden, bei gleichzeitiger Erkennung der auf Grund der Diffraktion der auf dem oben genannten Gitter reflektierten optischen Strahlung sowie der durch den optischen Kristall hindurch geleiteten optischen Strahlung. Zusätzlich kann die Steuerspannung durch Nutzung des Wellenleiter-Designs, indem die zu filternde Lichtstrahlung sich innerhalb des Wellenleiters ausbreitet, der im optischen Kristall gebildet wird, wesentlich gesenkt werden sowie die Geschwindigkeit der Transferfunktion wesentlich erhöht werden.
  • Zusätzlich kann die Diffraktionseffizienz des Braggschen Phasengitters, bestehend aus den periodisch aufgebrachten Erhöhungen und Vertiefungen der Oberfläche des Wellenleiters in Richtung der Lichtverbreitung, wesentlich verbessert werden. Dies geschieht durch Aufbringen einer zusätzlichen Schicht optischen Materials auf das Gitter, dessen Brechungsindex dem Brechungsindex des Substrats entspricht oder aber vom Brechungsindex des Substrats um maximal 40% abweichen kann. Zusätzlich kann die Größe des elektrischen Durchschlages wesentlich erhöht (vergrößert) werden, und folglich wird die Größe des durchstimmbaren Wellenlangenbereichs wesentlich erhöht. Dies geschieht durch Nutzung einer zusätzlichen Schicht eines elektrisch isolierenden Materials, das den gesamten Raum zwischen allen Elektroden füllt, was die Spannung des Durchbruchs wesentlich erhöht und folglich es ermöglicht, die an die Elektroden anzulegende Spannung zu erhöhen.
  • Genau so wie bei den bekannten Verfahren wird die Diffraktion der zu filternden Strahlung durch die Bildung eines elektrischen Feldes einer bestimmten Stärke im Kristall gesteuert, wodurch der Brechungsindex des Kristalls verändert wird. Ein Merkmal des anzumeldenden Verfahrens ist, dass das elektrische Feld in der Richtung der Strahlenausbreitung inhomogen ist. Bei der Schaffung der nötigen räumlichen Verteilung des elektrischen Feldes im Kristall kann die benötigte Übertragungsfunktion des optischen Elements geschaffen werden, was zur Multifunktionalität des optischen Elements führt.
  • So kann bei der Anwendung des homogen entlang der Richtung der Strahlenausbreitung veränderten externen elektrischen Feldes die Diffraktionseffizienz des Gitters wesentlich verringert werden, bis auf Null.
  • Auf dieser Grundlage kann ein elektrischer spektral-selektiver Lichtschalter geschaffen werden. Die Schaltgeschwindigkeit eines solchen Schalters ist dank der elektro-optischen Natur der Steuerung sehr hoch und kann 10–100 GHz betragen. Bei der Veränderung des Grades der Inhomogenität kann die Beugungseffizienz des Braggschen Phasengitters gesteuert werden. In diesem Fall funktioniert ein solches Element als ein elektrisch gesteuerter selektiver Lichtmodulator.
  • Zusätzlich kann das Profil der Übertragungsfunktion des Braggschen Phasengitters elektrisch gesteuert werden. Als Beispiel kann die Rekonfiguration der Übertragungsfunktion aus dem Zustand der Reflexion in den Zustand der Durchleitung dienen. Diese Rekonfiguration wird dadurch erreicht, dass an zwei gleichen Hälften des Gitters elektrische Felder angebracht werden, die eine Phasenverschiebung gleich π für die von beiden Hälften des Gitters reflektierten Lichtwellen erzeugen.
  • Das optische Element kann als universaler optischer Schalter mit einer variablen Anzahl von spektralen Kanälen fungieren. Dabei befindet sich eine bestimmte Anzahl der ausgebildeten Braggschen Phasengitter in einem inhomogenen elektrischen Feld. An andere Phasengitter wird ein homogeneselektrisches Feld angelegt. Aus diesem Grunde ist deren Diffraktion vorhanden. Dieser Umstand ermöglicht die Reflexion der selektierten spektralen Kanäle.
  • Zusätzlich kann das optische Element als ein elektrisch gesteuerter optischer Equaliser fungieren. In diesem Fall ist die Diffraktionseffizienz jedes einzelnen Elementargitters durch den Grad der räumlichen Inhomogenität des externen elektrischen Feldes definiert.
  • Zusätzlich kann das optische Element als ein schmalbandiger optischer Filter mit einem breiten Wellenlangenbereich fungieren.
  • Zusätzlich kann das optische Element als Kompensator der optischen spektralen Dispersion fungieren.
  • Der Gegenstand der Erfindung wird durch nachfolgende Abbildungen verdeutlicht:
  • In 1 ist eine nicht anspruchsgemäße Ausführung des optischen Elements mit zwei Elektroden abgebildet. (U1 und U2 stellen die an die Elektroden angelegten elektrischen Spannungen dar. Kompensierende sowie isolierende Materialschichten sind nicht abgebildet.)
  • In 2 ist das optische Element mit zwei Elektroden abgebildet. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden verkleinert sich linear entlang der Richtung der Strahlenausbreitung.
  • In 3 ist das optische Element mit vier Elektroden abgebildet.
  • In 4 ist das optische Element mit vier Elektroden abgebildet. Der Abstand zwischen dem jeweiligen Paar der Elektroden verändert sich linear entlang der Richtung der Strahlenausbreitung.
  • In 5 ist das optische Element mit 3 Elektroden abgebildet.
  • In 6 ist das optische Element mit 8 Elektroden abgebildet.
  • In 7 ist das optische Element im Längsschnitt abgebildet. Das Braggsche Phasengitter ist als eine Serie von periodisch angebrachten Erhöhungen und Vertiefungen der Oberfläche des Wellenleiters, überzogen mit einer Schicht des kompensierenden und einer Schicht des elektrisch isolierenden Materials, konstruiert. (h-Hoehe des Wellenleiters. Δh-Höhenunterschied zwischen den Vertiefungen und Erhöhungen). Der Schnitt verläuft entlang des Wellenleiters (in der Ebene ABC).
  • In 8 ist der Querschnitt des oben genannten optischen Elements abgebildet. Der Schnitt verläuft in Querrichtung zur Achse des Wellenleiters (in der Ebene DEF).
  • 9 zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke E von den Koordinaten entlang der Richtung der Strahlenausbreitung für die Anordnung der Elektroden am Element wie in 2 gezeigt.
  • 10 zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke E von den Koordinaten entlang der Richtung der Strahlenausbreitung für die Anordnung der Elektroden am Element wie in 4 gezeigt.
  • In 11 ist die spektrale Charakteristik des Reflexionskoeffizienten des Braggschen Phasengitters abgebildet. (λ –Wellenlänge der optischen Strahlung, λB – zentrale Wellenlänge der reflektierten optischen Strahlung, d – Breite der Übertragungsfunktion des Braggschen Phasengitters).
  • In 12 ist eine Ausführung des optischen Elements abgebildet mit einem Phasengitter, an den ein externes, homogenes elektrisches Feld E angelegt wird. (Ebd - elektrische Feldstärke, bei der der elektrische Durchschlag des optischen Filters stattfindet, – Ebd – elektrische Feldstärke mit reversiver Polarität, E0 – elektrische Feldstärke, die zur Veränderung der zentralen Wellenlänge der reflektierten Strahlung in Höhe der Breite der Übertragungsfunktion des Braggschen Phasengitters (d) dient, T – Länge des Phasengitters).
  • In 13 ist die Abhängigkeit der spektralen Charakteristik des optischen Elements von der Höhe der angelegten externen elektrischen Feldstärke aufgeführt, (a – ohne elektrisches Feld, b – bei E = –Ebd, c – E = E0, d – bei E = Ebd).
  • In 14 ist eine der Varianten des an das optischen Element angebrachten räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes aufgeführt. (Eπ/2 – elektrische Feldstärke auf der ersten Hälfte des Gitters, die einen zusätzlichen Phasenunterschied der optischen Strahlung schafft, die gleich π/2 ist; –Eπ/2 – elektrische Feldstärke auf der zweiten Hälfte des Gitters, die einen zusätzlichen Phasenunterschied der optischen Strahlung schafft, der gleich –π/2 – ist).
  • In 15 ist die Übertragungsfunktion des Elements aufgeführt, in dem Fall, bei dem auf das Element das in der 14 aufgeführte elektrische Feld angelegt ist (durchgezogene Linie – bei Abwesenheit des externen elektrischen Feldes; gestrichelte Linie – bei Anwesenheit des externen elektrischen Feldes).
  • In 16 ist eine weitere mögliche Variante des an das optische Element angebrachten räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes aufgeführt. (Ebd – elektrische Feldstärke auf der ersten Hälfte des Gitters, –Ebd – elektrische Feldstärke auf der zweiten Hälfte des Gitters).
  • In 17 ist die Übertragungsfunktion des Elements aufgeführt, in dem Fall, bei dem an den Filter das in der 16 aufgeführte elektrische Feld angelegt ist (durchgezogene Linie – bei Abwesenheit des externen elektrischen Feldes; gestrichelte Linie – bei Anwesenheit des externen elektrischen Feldes).
  • In 18 ist eine weitere mögliche Variante des an das optische Element angelegten räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes aufgeführt. (Ebd – elektrische Feldstärke auf dem ersten Achtel des Gitters, bei dem der elektrische Durchschlag des optischen Filters stattfindet, –Ebd – elektrische Feldstärke auf dem letzten Achtel des Gitters mit reversiver Polarität).
  • In 19 ist die Übertragungsfunktion des Elements aufgeführt, in dem Fall, bei dem an den Filter das in der 18 aufgeführte elektrische Feld angelegt ist (durchgezogene Linie – bei Abwesenheit des externen elektrischen Feldes; gestrichelte Linie – bei Anwesenheit des externen elektrischen Feldes).
  • Das optische Element beinhaltet eine Platte 1 aus elektro-optischem Material, in der der optische Wellenleiter 2 gebildet werden kann (sieh. 2). Als elektrooptisches Material können Kristalle verwendet werden, wie z. B. LiNbO3, KNbO3, BaTiO3, SBN. Das Braggsche Phasengitter 3 kann sowohl im eigentlichen Material der Platte 1 als auch im optischen Wellenleiter 2 gebildet werden. Das Gitter 3 kann in der Form von periodisch aufgebrachten Erhöhungen 6 und Vertiefungen 7 der Oberfläche des Wellenleiters in Richtung der Lichtausbreitung gebildet werden (siehe 7, 8). Oberhalb der periodischen Erhöhungen und Vertiefungen des Wellenleiters wird eine kompensierende Schicht eines Materials 8 aufgebracht. Diese Schicht kann z. B. aus TiO2 oder SiO2 bestehen.
  • Auf beiden Seiten des Gitters 3 befindet sich das Mittel zur Bildung von räumlich inhomogenen externen elektrischen Feldern in der Form der Elektroden 4, an die über Kontakte 5 elektrische Spannungen U1, U2, U3, ... UN angelegt werden (je nach der Anzahl und der Konfiguration der Elektroden 4 können die angelegten Spannungen der Größe nach entweder gleich oder unterschiedlich ausfallen und der Polarität nach entweder unterschiedlich oder gleich sein).
  • Die Oberfläche des Elektroden, die Oberfläche des kompensierenden Materials, restliche Oberfläche des Substrats, sowie der übrig gebliebene Raum zwischen den Elektroden wird mit dem elektrisch isolierenden Material 9 ausgefüllt. Diese Materialschicht kann aus Epoxidharz oder aus einem anderen beliebigen Kunststoff-Material bestehen, das über einen hohen spezifischen Widerstand verfügt. Das räumlich inhomogene äußere elektrische Feld kann durch Elektroden 4 gebildet werden, die unterschiedliche Geometrie haben. So z. B. durch zwei Elektroden, deren Entfernung von einander sich linear, entlang der Richtung der Strahlenausbreitung verändert (sieh 2); durch drei rechteckige Elektroden (sieh 5), auf die man mit unterschiedlichen Spannungen einwirkt U1, U2, U3; durch vier Elektroden unterschiedlicher Geometrie (sieh 3, 4); durch acht rechteckige Elektroden (sieh 6), auf die man mit unterschiedlichen Spannungen einwirkt U1, U2, U3, ... U8; durch N Elektroden, dabei entspricht: N ≥ 2D/d. Die oben genannten Beispiele begrenzen nicht die Wahl der Anzahl von Elektroden sowie ihre Konfiguration.
  • Die Übertragungsfunktion des optischen Elements wird wie folgt gesteuert. Innerhalb des elektro-optischen Materials 1 wird die nötige Verteilung der Spannung der elektrischen Feldstärke gebildet.
  • Die nötige Verteilung der Spannung der elektrischen Feldstärke kann durch eine geometrische Form der Elektroden 4, auf die mit den Spannungen U1, U2 eingewirkt wird, geschaffen werden. Auf der 2 ist ein Beispiel der Konfiguration der Elektroden gezeigt, für die Bildung eines räumlich inhomogenen elektrischen Feldes. Die Inhomogenität des elektrischen Feldes wird durch die Veränderung der Entfernung zwischen den Elektroden bestimmt. Die Verteilung der elektrischen Feldstärke für die in der 2 dargestellte Konfiguration der Elektroden ist auf der 9 gezeigt. Die maximal mögliche Stärke des elektrischen Feldes und der damit verbundene maximale Gradient bestimmt sich durch die Höhe des elektrischen Durchschlages Ebd.
  • Die 4 zeigt die Möglichkeit der Erhöhung des Gradienten der elektrischen Feldstärke durch die Bildung des Systems, die wiederum das inhomogene elektrische Feld bildet, in der Form von 2 Elektrodenpaaren, mit der sich verändernden Entfernung zwischen den Elektroden. Auf jedes Elektrodenpaar wirken die Spannungen U1, U2 mit jeweils umgekehrter Polarität ein. Die Verteilung der elektrischen Feldstärke innerhalb des elektro-optischen Materials, die dieser Konfiguration der Elektroden entspricht, ist in 10 gezeigt. Das Mittel zur Bildung eines räumlich inhomogenen, elektrischen Feldes in der Form von N Elektroden, auf die durch die Kontakte die Spannungen U einwirken, ermöglicht es, unterschiedliche Verteilungen der elektrischen Feldstärke innerhalb des elektro-optischen Materials zu bilden, und was besonders wichtig ist, die Art der Abhängigkeit der Verteilung der elektrischen Feldstärke kann dabei durch die Änderung der Höhe der angelegten Spannungen verändert werden.
  • Wenn auf die Elektroden, die sich auf einer Seite des Wellenleiters befinden, mit der gleichen Spannung U1 eingewirkt wird, und auf die Elektroden, die sich auf der anderen Seite des Wellenleiters befinden, mit der gleichen Spannung U2 eingewirkt wird, dann wird im elektro-optischen Material das räumlich homogene elektrische Feld gebildet (siehe 12). Ein solches Feld führt zur Verschiebung der Übertragungsfunktion des Braggschen Phasengitters (siehe 11) ohne Veränderung der Form (siehe 13). Die Höhe der Verschiebung der zentralen Wellenlänge bestimmt sich durch die erzeugte elektrische Feldstärke. Das elektrische Feld Eo entspricht der Verschiebung der zentralen Wellenlänge auf der Breite der Übertragungsfunktion d (die Kurve c auf der 13). Die Polarität des angewandten elektrischen Feldes bestimmt die Richtung der Verschiebung der zentralen Wellenlänge. Die Entfernung D zwischen den zentralen Wellenlängen der Übertragungsfunktionen, die den angebrachten homogenen elektrischen Feldern entsprechen, Ebd und –Ebd, ist der gesamte Wellenlängenbereich der Durchstimmbarkeit der zentralen Wellenlänge. Ein solches räumlich homogenes elektrisches Feld wird im Basis-Typ des optischen Elements gebildet (siehe 1). Es wird nachfolgend die einfachste Methode der räumlichen Verteilung eines inhomogenen elektrischen Feldes erläutert. Hier wird auf die beiden Hälften des Gitters mit der Höhe nach gleichem, jedoch der Polarität nach unterschiedlichem elektrischen Feld eingewirkt (siehe 14, 16). Eine solche Verteilung der elektrischen Feldstärke kann durch ein System der Elektroden gebildet, das in 5 gezeigt ist, wenn U1 = 0, U2 = – U3. Das Braggsche Phasengitter wird dabei in zwei Gitter aufgeteilt mit verschobenen zentralen Wellenlängen. Im Falle, wenn die Größe der Verschiebung der Wellenlängen viel größer ist als die Breite der Übertragungsfunktion d, können Phasenverhältnisse bei der Addition der von den beiden Hälften des Gitters reflektierten Lichtstrahlung unberücksichtigt bleiben. In diesem Fall wandelt sich die Übertragungsfunktion des optischen Elements in die Addition der Übertragungsfunktion der beiden Hälften des Braggschen Phasengitters.
  • Die Übertragungsfunktion für diesen Fall ist in 17 gezeigt. Von großer Bedeutung ist der Fall, bei dem durch die Differenz der elektrischen Feldstärken, mit denen auf verschiedene Hälften des Gitters eingewirkt wird, eine Differenz der Phasen der reflektierten Lichtstrahlung gebildet wird, die π entspricht (siehe 14). Im Falle der kleinen Amplituden des Gitters (n1/n0 << Λ/T) Eπ/2 = Eo unterscheiden sich die zentralen Wellenlängen lediglich durch die Breite der Übertragungsfunktion d. Die Amplituden der von den verschiedenen Hälften des Gitters reflektierten zentralen Wellenlängen werden dabei kohärent addiert, das bedeutet, unter Berücksichtigung der Phase. In diesem Falle wird in der Mitte der Übertragungsfunktion das lokale Minimum gebildet (sieh 15). In diesem Fall lässt das optische Element zentrale Wellenlängen durch, anstatt diese zu reflektieren. Dieses Beispiel zeigt deutlich die Möglichkeit einer elektro-optischen Steuerung der Übertragungsfunktion aus dem Zustand der „Reflexion" in den Zustand des „Durchgangs".
  • In 18 ist die räumliche Verteilung der elektrischen Feldstärke gezeigt, für den Fall, dass das Braggsche Phasengitter in acht Teile aufgeteilt ist. Eine solche Verteilung des Feldes kann durch ein System von Elektroden gebildet werden, wie es in 6 abgebildet ist. In diesem Falle werden folgende Verhältnisse zwischen den angewandten Spannungen ausgeführt: U1 = U8, U2 = U7, U3 = U6, U4 = U5. Dabei bricht das Licht auf acht voneinander unabhängigen Teilen des Gitters mit verschobenen zentralen Wellenlängen. Dies führt zur Verringerung des addierten Reflexionskoeffizienten sowie zur Verringerung der spektralen Selektivität, d. h. zur Aufhebung der Übertragungsfunktion des Filters (siehe 19).
  • Die Verringerung der Länge der Abschnitte des Gitters, auf die mit dem homogenen elektrischen Feld eingewirkt wird, führt zur weiteren Verringerung des addierten Reflexionskoeffizienten sowie zur Verringerung der spektralen Selektivität. Im Falle, wenn das Mittel zur Bildung des räumlich inhomogenen, aperiodischen externen elektrischen Feldes aus N Elektroden besteht, besteht die Möglichkeit, ein unabhängiges elektrisches Feld zu bilden, auf N/2 der Teile des Gitters (je 2 Elektroden auf den beiden Seiten des Wellenleiters auf jedem Teil des Gitters).
  • Die optimale Anzahl der Elektroden wählt man aus dem Verhältnis N ≥ 2D/d, d. h. für die effektive Aufhebung der Diffraktion (Verringerung des addierten Reflektionskoeffizienten sowie zur Verringerung der spektralen Selektivität) ist es notwendig, das Gitter auf N/2 unabhängige Teile aufzuteilen. Die Zahl N bestimmt sich durch die Anzahl der nötigen selektiven Kanäle.
  • Oben wurde dargelegt, wie mit Hilfe der Anwendung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes die Art der Übertragungsfunktion des optischen Elements verändert werden kann. Außerdem wurde das Beispiel der Aufhebung der Diffraktion auf dem Braggschen Phasengitter durch Verringerung des addierten Reflexionskoeffizienten sowie zur Verringerung der spektralen Selektivität gezeigt. Das Verfahren der Steuerung der Übertragungsfunktion des optischen Elements kann im schmalbandigen optischen Filter, optischen Abschwächer, optischen Modulatoren sowie in Kompensatoren der Phasendispersion verwendet werden. Die oben dargelegten Beispiele begrenzen jedoch nicht die möglichen Gebiete der Anwendung der Steuerung der Übertragungsfunktion.
    • 1
    Platine
    2
    optischer Wellenleiter
    3
    Braggsches Phasengitter
    4
    Elektroden
    5
    Kontakte
    6
    Erhöhungen
    7
    Vertiefungen
    8
    kompensierende Schicht eines Materials
    9
    elektrisch isolierendes Material

Claims (19)

  1. Optisches Element bestehend aus elektro-optischem Material und Braggschem Phasengitter, das im elektro-optischen Material gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Braggsche Phasengitter (3) über ein Felderzeugungsmittel zur Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes mindestens auf Teilen der Länge des Gitters entlang der Richtung der Ausbreitung optischer Strahlung verfügt und als periodische Erhöhungen (6) und Vertiefungen (7) entlang der Richtung der Ausbreitung der Lichtstrahlung des optischen Wellenleiters (2), gebildet ist.
  2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Braggsche Phasengitter (3) in einem optischen Wellenleiter (2) des elektrooptischen Materials gebildet ist.
  3. Optisches Element nach einem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Braggsche Phasengitter (3) über eine zusätzliche Schicht bestehend aus optischem Material (8) verfügt, dessen Brechungsindex entweder dem Brechungsindex des verwendeten Substrats entspricht oder aber von diesem maximal um 40% abweicht.
  4. Optisches Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Felderzeugungsmittel zur Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes in der Form von zwei sich von den beiden Seiten des Braggschen Phasengitters (3) befindlichen Elektroden (4) ausgeführt ist.
  5. Optisches Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Felderzeugungsmittel zur Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes in der Form von zwei sich von den beiden Seiten des Gitters befindlichen Elektroden (4) ausgeführt ist, wobei sich der Abstand zwischen den beiden Elektroden (4) linear entlang der Richtung der Strahlenausbreitung verändert.
  6. Optisches Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Felderzeugungsmittel zur Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes in der Form von vier voneinander elektrisch isolierten Elektroden (4), die sich paarweise auf den beiden Seiten vom Gitter (3) befinden, ausgeführt ist.
  7. Optisches Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Felderzeugungsmittel zur Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes in der Form von vier voneinander elektrisch isolierten Elektroden (4), die sich paarweise auf den beiden Seiten vom Gitter (3) befinden, ausgeführt ist, wobei sich der Abstand zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar linear entlang der Richtung der Strahlenausbreitung verändert.
  8. Optisches Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Felderzeugungsmittel zur Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes in der Form von mindestens drei voneinander elektrisch isolierten Elektroden (4), die sich auf beiden Seiten des Gitters (3) befinden und für die Steuerung der elektrischen Feldstärke auf verschiedenen Stellen des Gitters (3) entlang der Richtung der Ausbreitung der Lichtstrahlung dienen, ausgeführt ist.
  9. Optisches Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Felderzeugungsmittel zur Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes in der Form von N der Elektroden (4) ausgeführt ist, wobei die Anzahl der Elektroden (4) der Formel N ≥ 2D/d entspricht, wobei gilt: d = Wellenlängenbereich des selektiv reflektierenden Lichts D = Wellenlängenbereich der elektrischen Durchstimmbarkeit des Filters.
  10. Optisches Element nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Felderzeugungsmittel zur Bildung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes über eine Schicht des elektrisch isolierbaren Materials (9) verfügt, welches den Raum zwischen allen Elektroden (4) füllt. Das Material (9) dient der Verstärkung der an die Elektroden (4) angelegten Spannung.
  11. Verfahren zur Steuerung der Übertragungsfunktion des optischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die über die Einwirkung eines räumlich inhomogenen, externen elektrischen Feldes auf einen Teil des Gitters (3) entlang der Richtung der optischen Strahlenausbreitung verfügt, mit dem Ziel, die Diffraktionseffizienz des Gitters zu steuern.
  12. Verfahren zur Steuerung der Übertragungsfunktion des optischen Elements nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Vektors der elektrischen Feldstärke auf einem Teil des Gitters (3) in umgekehrter Richtung des Vektors der elektrischen Feldstärke auf einen anderen Teil des Gitters (3) gebildet wird.
  13. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ausgebildet als spektral-selektiver Lichtschalter.
  14. Optisches Element nach Anspruch 13, mit einer vorbestimmten Anzahl von Braggschen Phasengittern und ausgebildet als optischer Schalter mit einer variablen Anzahl von spektralen Kanälen.
  15. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ausgebildet als elektrisch gesteuerter selektiver Lichtmodulator.
  16. Optisches Element nach Anspruch 15, ausgebildet mit einer vorbestimmten Anzahl von Braggschen Phasengittern als elektrisch gesteuerter optischer Equalizer.
  17. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ausgebildet als schmalbandiges optisches Filter.
  18. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ausgebildet als Kompensator der optischen spektralen Dispersion.
  19. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ausgebildet als Abschwächer.
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