DE102008035674A1

DE102008035674A1 - Elektrisch steuerbares optisches Element

Info

Publication number: DE102008035674A1
Application number: DE102008035674A
Authority: DE
Inventors: Victor Petrov
Original assignee: SWET OPTICS GmbH
Current assignee: SWET OPTICS GmbH
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-04

Abstract

Elektrisch steuerbares optisches Element mit einem elektrooptischen Material und einem in diesem gebildeten Braggschen Phasengitter, welches periodische Erhöhungen und Vertiefungen in einem Wellenleiter im optischen Material aufweist, dem Mittel zur Erzeugung eines wenigstens Teile des Phasengitters durchsetzenden, in Strahlungsausbreitungsrichtung längs des Phasengitters inhomogenen elektrischen Feldes zugeordnet sind, wobei die Mittel zur Erzeugung des inhomogenen elektrischen Feldes eine Elektrode mit einer dem Phasengitter zugewandten bogenförmigen oder einen bogenartigen Verlauf approximierenden abgestuften Kante aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch steuerbares optisches Element, welches in einem Wellenleiterabschnitt eines elektrooptischen Materials ein Braggsches Phasengitter und diesem zugeordnete Mittel zur Erzeugung eines inhomogenen elektrischen Feldes aufweist.
Ein derartiges optisches Element ist aus der WO 2007/033805 A1 der Anmelderin bekannt. Dort sind auch ausführlich die physikalischen Grundlagen und der Anwendungs-Hintergrund eines solchen optischen Elementes beschrieben.
Ein wichtiger Vorläufer des in der genannten WO-Schrift beschriebenen optischen Bauteils 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 sind langgezogene Elektroden aufgebracht, an die eine Steuerspannungsquelle angeschlossen ist. In die Wellenleiterschicht ist das Braggsche Phasengitter eingeschrieben.
Als Filter verfügt ein solches Element über eine hohe spektrale Selektivität und erfüllt die Funktion eines elektrisch durchstimmbaren schmalbandigen optischen Filters. Das Design des Wellenleiters ermöglicht, große elektrische Feldstärke bei einer relativ kleinen Spannung zu schaffen, dank eines sehr kleinen Abstandes zwischen den Elektroden. Der Wellenlängenbereich der Durchstimmbarkeit ist jedoch begrenzt durch die Spannung des elektrischen Durchschlages und übersteigt im Falle des Filters auf der Grundlage des Kristalls LiNbO₃ nicht 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 Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein hinsichtlich der Durchstimmbarkeit und somit der Einstellung der Filter-, Abschwächer- und sonstigen steuerbaren Eigenschaften noch flexibler konfigurier- und betreibbares optisches Element zu schaffen.
Diese Aufgabe wird, in relativ unabhängigen Ausprägungen des Erfindungsgedankens, durch ein elektrisch steuerbares optisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4 gelöst. Zweckmäßige Fortbildung des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, dem Phasengitter des gattungsgemäßen optischen Elementes Mittel zur Erzeugung eines nichtlinear inhomo genen elektrischen Feldes zuzuordnen. Hierfür sind verschiedene Elektrodenkonfigurationen grundsätzlich geeignet, und all diese Mittel ermöglichen eine größere Variabilität hinsichtlich der Steuerung der Filter-, Abschwächer-, Modulations- und weiteren optischen Eigenschaften des Elementes.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Erzeugung des inhomogenen elektrischen Feldes jeweils eine Elektrode mit spiegelsymmetrisch ausgebildeten bogenförmigen oder einen bogenartigen Verlauf approximierenden abgestuften Kante auf beiden Seiten des Gitters aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, nur auf einer Seite des Phasengitters eine Elektrode mit einem solchen bogenförmigen oder bogenartig abgestuften Kantenverlauf vorzusehen, während auf der anderen Seite eine Elektrode angeordnet ist, deren dem Phasengitter benachbarte Begrenzungskante geradlinig und gegebenenfalls auch parallel zur Begrenzungskante des Phasengitters angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die oder mindestens eine Elektrode in aneinander gereihte Teil-Elektroden mit abgestuftem Abstand zwischen dem Phasengitter und der dem Phasengitter zugewandten Elektrodenkante unterteilt ist, wobei sich durch die Aneinanderreihung der Teilelektroden mit abgestuftem Abstand eine annähernd bogenförmige Gesamtkonfiguration der dem Phasengitter zugewandten Kante ergibt.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass zur Erzeugung des nichtlinear inhomogenen elektrischen Feldes auf beiden Seiten des Phasengitters Reihen von Elektroden mit ungleichen Abständen zueinander und/oder ungleicher Erstreckung in Längsrichtung des Phasengitters vorgesehen sind. Alternativ hierzu kann wiederum eine derartige Elektrodenkonfiguration nur auf einer Seite des Phasengitters vorgesehen sein, während die Elektrode auf dessen anderer Seite eine geradlinige benachbarte Begrenzungskante hat. Beide Ausführungen können dahingehend ausgestaltet sein, dass die Elektroden der oder mindestens einer Reihe ungleiche Abstände zwischen ihrer jeweils dem Phasengitter zugewandten Kante und dem Phasengitter haben.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle Teil-Elektroden bzw. Elektroden der Reihe elektrisch miteinander derart verbunden sind, dass sie im Betriebszustand des optischen Elementes auf gleichem Potential liegen.
Der weitere Aufbau des Elementes kann so ausgestaltet sein, dass auf dem Phasengitter eine Deckschicht aus einem optischen Material vorgesehen ist, dessen Brechungsindex demjenigen des elektrooptischen Materials entspricht oder von diesem um maximal 60% abweicht. In Kombination hiermit, aber auch unabhängig hiervon, ist eine Ausführung möglich, bei der mindestens zwischen den Elektroden eine Isolierschicht vorgesehen ist.
Das hier vorgeschlagene optische Element kann vielfältige Anwendungen finden, so insbesondere als spektral-selektiver Lichtschalter (optional mit einer vorbestimmten Anzahl von Braggschen Phasengittern und ausgebildet als optischer Schalter mit einer variablen Anzahl von spektralen Kanälen), als elektrisch gesteuerter selektiver Lichtmodulator (wiederum optional mit einer vorbestimmten Anzahl von Braggschen Phasengittern als elektrisch gesteuerter optischer Equalizer), als schmalbandiges optisches Filter, als Kompensator der optischen spektralen Dispersion oder als Abschwächer. Die speziellen Anwendungen und anwendungstypischen konstruktiven Ausgestaltungen erschließen sich dem Fachmann, ohne dass hierzu an dieser Stelle eine genauere Beschreibung erforderlich wäre.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines steuerbaren optischen Elementes der gattungsgemäßen Art,
2 eine Querschnittsdarstellung des optischen Elementes nach 1 und
die 3–8 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen optischen Elementes, jeweils in schematischer perspektivischer Darstellung.
1 zeigt im Längsschnitt durch ein elektrisch steuerbares optisches Element 1 (welches in verkleinerter perspektivischer Gesamtansicht rechts oben in der Figur dargestellt ist) den Aufbau von dessen Phasengitterbereich. Auf einem Substrat bzw. einer Grundplatte 3 ist in einem elektrooptischen Material 9 ein optischer Wellenleiter 5 und in diesem durch periodische Erhöhungen und Vertiefungen mit einer Höhe Δh ein Braggsches Phasengitter 7 mit einer Gitterperiode A gebildet. Die Vertiefungen des Phasengitters sind mit einem kompensierenden optischen Material 9 ausgefüllt, und auch die Erhöhungen sind mit einer dünnen Schicht dieses Materials bedeckt, dessen Brechungsindex dem Brechungsindex des Substrats 3 entspricht bzw. von diesem um maximal 60% abweicht. Das Element 2 ist mit einem elektrisch isolierenden Material 11 bedeckt.
Wie 2 als Querschnittsdarstellung des Elementes 1 zeigt, füllt dieses isolierende Material 11 auch den Zwischenraum zwischen zwei seitlich des Phasengitters angeordneten Elektroden 13 aus, die über Elektrodenanschlüsse 15 mit einer externen Steuerspannung verbunden werden können.
3 zeigt als erfindungsgemäßes optisches Element 1.A ein solches, bei dem auf beiden Seiten des im Substrat 3 ausgebildeten Wellenleiters 5 mit Phasengitter 7 spiegelsymmetrisch identische Elektroden 13.A mit einer dem Phasengitter 7 benachbarten konvex gekrümmten Begrenzungskante zur Erzeugung eines nichtlinear inhomogenen elektrischen Feldes über der Längserstreckung des Phasengitters angeordnet sind.
Die Ausführung eines weiteren beispielhaften optischen Elementes 1.B gemäß 4 unterscheidet sich von derjenigen des Elementes 1.A nach 3 durch eine andere Gestalt der Elektroden: Auf der einen Seite des Phasengitters 7 im Wellenleiter 5 ist eine langgestreckt rechteckig konfigurierte Elektrode 13.B mit zur Längskante des Wellenleiters 5 paralleler benachbarter Begrenzungskante angeordnet. Auf der anderen Seite ist eine Elektrode 14.B vorgesehen, deren dem Phasengitter zugewandte Begrenzungskante konkav bogenförmig gekrümmt ist. Auch hier bildet sich bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 13.B und 14.B ein über die Längserstreckung des Phasengitters nichtlinear inhomogenes elektrisches Feld aus.
5 zeigt als weiteres Beispiel ein optisches Element 1.C, bei dem auf beiden Seiten des Phasengitters jeweils eine Teilelektroden-Reihe 13.C aus einzelnen Elektrodenflächen angeordnet ist, wobei der Abstand von deren jeweiligen (geradlinigen) Begrenzungskanten zur Begrenzungskante des Phasengitters in Ausbreitungsrichtung des Lichtes nichtlinear ansteigt oder abnimmt. Dies ist durch die gestrichelte gekrümmte Linie in der Figur verdeutlicht.
In 6 ist ein der Konfiguration aus 5 sehr ähnliches optisches Element 1.D gezeigt, bei dem der Abstand zwischen den einzelnen Elektrodenflächen einer Elektrodenreihe 13.D zum mittleren Bereich des Phasengitters 7 hin zunächst ab- und von hier aus wieder zunimmt, wodurch in diesem Fall ein bogenartiger Verlauf approximiert wird, der im mittleren Bereich des Phasengitters 7 einen Gipfelpunkt (Punkt minimalen Abstandes zum Phasengitter) hat. Legt man an die Teilelektroden der Elektrodenreihen 13.D jeweils das gleiche elektrische Potential an, ergibt sich hierbei also eine zum mittleren Bereich des Phasengitters 7 hin ansteigende und von hier aus wieder abfallende Feldstärke.
7 zeigt als weitere Ausführungsform ein optisches Element 1.E, bei dem auf beiden Seiten des Phasengitters in spiegelsymmetrisch kongruenter Anordnung jeweils eine Reihe 13.E einzelner Elektrodenflächen (nicht einzeln bezeichnet) vorgesehen ist, die unterschiedliche Längserstreckung und unterschiedliche Abstände zur jeweils Phasengitter-Längsrichtung benachbarten Elektrodenfläche haben. Obgleich die dem Phasengitter benachbarten Begrenzungskanten geradlinig sind und alle gleichen Abstand zum Phasengitter haben, bildet sich auch bei Anlegen einer Spannung an diese Elektrodenkonfiguration ein nichtlinear inhomogenes elektrisches Feld aus, das das Phasengitter 7 durchsetzt. Insbesondere umfasst diese Feld Feldstärkemaxima und -minima in alternierender Anordnung und mit unterschiedlicher Breite und Höhe bzw. Tiefe, abhängig von der Längserstreckung und den jeweiligen Abständen der einzelnen Elektroden.
Die Erzeugung weiterer spezieller Feldverläufe über dem Phasengitter 7 erlaubt die in 8 als optisches Element 1.F dargestellte weitere Ausführungsform. Bei dieser ist auf der einen Seite des Phasengitters 7 (wie bei der Ausführung nach 4) eine einzelne recheckige Elektrodenfläche 13.F vorgesehen, wogegen auf der anderen Seite des Phasengitters eine Reihe 14.F einzelner Elektroden angeordnet ist, welche unterschiedliche Rechteckform und wahlweise auch unterschiedliche Abstände voneinander haben.
Hierbei ist auch der Abstand der jeweils zum Phasengitter 7 benachbarten Kante der jeweiligen Elektrode zum Phasengitter nicht bei allen Elektroden gleich. Das Anlegen einer Spannung an diese Konfiguration ergibt eine Feldstärkevariation über die Längserstreckung des Phasengitters (und somit längs der Ausbreitungsrichtung des Lichtes), die sowohl durch die unterschiedlichen Abstände zwischen den wirksamen Elektrodenkanten beidseits des Phasengitters als auch durch Feldstärkeminima bestimmt ist, die sich in den Abstandsbereichen zwischen den einzelnen Elektroden der Elektrodenreihe 14.F ausbilden.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten und oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. Insbesondere sollen Kombinationen der Merkmale der einzelnen abhängigen Ansprüche sowie der einzelnen Ausführungsbeispiele als im Rahmen der Erfindung liegend angesehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/033805 A1 [0002]
- US 5832148 A [0003]
- US 4039249 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Petrov, M. P. et al: ”Electrically controlled integrated optical filter”, Technical Physics Letters, Vol. 30, No. 2, 2004, S. 120–122 [0005]

Claims

Elektrisch steuerbares optisches Element mit einem elektrooptischen Material und einem in diesem gebildeten Braggschen Phasengitter, welches periodische Erhöhungen und Vertiefungen in einem Wellenleiter im optischen Material aufweist, dem Mittel zur Erzeugung eines wenigstens Teile des Phasengitters durchsetzenden, in Strahlungsausbreitungsrichtung längs des Phasengitters inhomogenen elektrischen Feldes zugeordnet sind, wobei die Mittel zur Erzeugung des inhomogenen elektrischen Feldes eine Elektrode mit einer dem Phasengitter zugewandten bogenförmigen oder einen bogenartigen Verlauf approximierenden abgestuften Kante aufweisen.
Optisches Element nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Erzeugung des inhomogenen elektrischen Feldes jeweils eine Elektrode mit spiegelsymmetrisch ausgebildeten bogenförmigen oder einen bogenartigen Verlauf approximierenden abgestuften Kante auf beiden Seiten des Gitters aufweisen.
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die oder mindestens eine Elektrode in aneinander gereihte Teil-Elektroden mit abgestuftem Abstand zwischen dem Phasengitter und der dem Phasengitter zugewandten Elektrodenkante unterteilt ist, wobei sich durch die Aneinanderreihung der Teilelektroden mit abgestuftem Abstand eine annähernd bogenförmige Gesamtkonfiguration der dem Phasengitter zugewandten Kante ergibt.
Elektrisch steuerbares optisches Element mit einem elektrooptischen Material und einem in diesem gebildeten braggschen Phasengitter, welches periodische Erhöhungen und Vertiefungen in einem Wellenleiter im optischen Material aufweist, dem Mittel zur Erzeugung eines wenigstens Teile des Phasengitters durchsetzenden, in Strahlungsausbreitungsrichtung längs des Phasengitters inhomogenen elektrischen Feldes zugeordnet sind, wobei die Mittel zur Erzeugung des inhomogenen elektrischen Feldes mindestes auf einer Seite des Phasengitters eine Reihe von Elektroden mit ungleichen Abständen zueinander und/oder ungleicher Erstreckung in Längsrichtung des Phasengitters aufweisen.
Optisches Element nach Anspruch 4, wobei auf beiden Seiten des Phasengitters identische Reihen von Elektroden ausgebildet sind.
Optisches Element nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Elektroden der oder mindestens einer Reihe ungleiche Abstände zwischen ihrer jeweils dem Phasengitter zugewandten Kante und dem Phasengitter haben.
Optisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei alle Teil-Elektroden bzw. Elektroden der Reihe elektrisch miteinander derart verbunden sind, dass sie im Betriebszustand des optischen Elementes auf gleichem Potential liegen.
Optisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf dem Phasengitter eine Deckschicht aus einem optischen Material vorgesehen ist, dessen Brechungsindex demjenigen des elektrooptischen Materials entspricht oder von diesem um maximal 60% abweicht.
Optisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens zwischen den Elektroden eine Isolierschicht vorgesehen ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ausgebildet als spektral-selektiver Lichtschalter.
Optisches Element nach Anspruch 10, mit einer vorbestimmten Anzahl von Braggschen Phasengittern und ausgebildet als optischer Schalter mit einer variablen Anzahl von spektralen Kanälen.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ausgebildet als elektrisch gesteuerter selektiver Lichtmodulator.
Optisches Element nach Anspruch 12, ausgebildet mit einer vorbestimmten Anzahl von Braggschen Phasengittern als elektrisch gesteuerter optischer Equalizer.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ausgebildet als schmalbandiges optisches Filter.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ausgebildet als Kompensator der optischen spektralen Dispersion.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ausgebildet als Abschwächer.