DE10255459A1

DE10255459A1 - Optische Schaltungsanordnung mit zwei hintereinander geschalteten optischen Schaltungselementen

Info

Publication number: DE10255459A1
Application number: DE10255459A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Heise; Jens Dieckröger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2004-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Schaltungsanordnung mit einem ersten und einem zweiten optischen Schaltungselement (1, 1'), die durch Anlegen einer elektrischen Steuerleistung jeweils zwischen mindestens einem ersten und einem zweiten Zustand verstellbar sind, wobei das erste und das zweite Schaltungselement (1, 1') optisch hintereinander geschaltet sind. Erfindungsgemäß verhält sich das zweite Schaltungselement (1') hinsichtlich der Abhängigkeit seiner optischen Eigenschaften von der Steuerleistung komplementär oder näherungsweise komplementär zu dem ersten Schaltungselement (1). In einem weiteren Erfindungsaspekt liegt der Arbeitspunkt des einen Schaltungselements vor einem Minimum der Transmission und der Arbeitspunkt des anderen Schaltungselements hinter einem Minimum der Transmission.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Schaltungsanordnung mit zwei hintereinander geschalteten optischen Schaltungselementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind als Grundelemente der integrierten Optik Schaltungselemente bekannt, die durch Anlegen einer elektrischen Steuerleistung zwischen mindestens einem ersten und einem zweiten Zustand verstellbar sind. Ein erstes Beispiel hierfür ist ein optischer Abschwächer, bei dem über die angelegte elektrische Steuerleistung der Grad der Abschwächung eines Eingangssignals festgelegt wird. Ein zweites Beispiel ist ein optischer Schalter, bei dem das an ein Eingangstor angelegte optische Signal bei Anlegen einer elektrischen Steuerleistung von einem ersten Ausgangstor auf ein zweites Ausgangstor umgeschaltet wird.
Da die einzelnen Schalter oder Abschwächer häufig keine ausreichend hohe Isolation zwischen den Schaltzuständen bzw. eine ausreichend hohe Abschwächung erreichen, ist es bekannt, solche optischen Schaltungselemente hintereinander zu schalten. Auf diese Weise lässt sich die Isolation zwischen den Schaltzuständen bzw. die Abschwächung vervielfachen. Nachteilig wird das Gesamtbauelement dabei größer und vervielfacht sich die Schaltleistung um den gleichen Faktor wie die Bauelemente.
Es ist erstrebenswert, die Summe der Steuerleistungen sämtlicher Bauelemente möglichst konstant zu halten, um ein gutes thermisches Management realisieren zu können.
Zur Realisierung einer konstanten Summenleistung ist es bekannt, hintereinander Schalter oder Abschwächer anzuordnen, welche vom Design her genau zwischen den Schaltzuständen liegen. Dies bedeutet, dass zum Öffnen oder Schließen eines Schalters bzw. zur Einstellung einer maximalen oder minimalen Abschwächung eines Abschwächers stets die halbe Schaltleistung benötigt wird. Es liegt an jedem optischen Schaltelement dementsprechend immer die gleiche Leistung an. Nachteilig wird das Ziel einer konstanten Summenleistung jedoch nur bei binären Schaltzuständen erreicht, d.h. der Schalter ist entweder auf oder zu bzw. der Abschwächer weist entweder eine maximale oder eine minimale Abschwächung auf. Gerade bei Abschwächern ist es jedoch häufig erforderlich, eine zwischen den Extrema liegende Abschwächung einzustellen. Dies ist bei den bekannten Schaltungen nicht möglich, ohne die Summenleistung zu ändern.
Bei Schaltungselementen auf der Basis von Mach-Zehnder-Interferometern besteht ein weiterer Nachteil der bekannten Schaltungsanordnung darin, dass für jedes Schaltungselement zwei Heizelektroden erforderlich sind: eine Heizelektrode für den einen und eine Heizelektrode für den anderen Arm. Dies ist erforderlich, um von dem mittigen Ausgangszustand in den einen oder den anderen Schaltzustand wechseln zu können.
Ein weiteres Problem bei der Anordnung zweier oder mehrerer optischer Schaltungselemente hintereinander resultiert aus dem Umstand, dass aufgrund der intrinsischen Doppelbrechung des Lichts in den Wellenleitern in der Nähe des jeweiligen Transmissionsminimums des Schaltungselementes starke polarisationsabhängige Verluste (PDL – polarisation dependent loss) auftreten. Für den Systemeinsatz solcher Bauelemente dürfen die polarisationsabhängigen Verluste bestimmte Werte jedoch nicht überschreiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Schaltungsanordnung mit einem ersten und einem zweiten hintereinander geschalteten optischen Schaltungselement zu Verfügung zu stellen, bei der die Summe der Schaltleistungen der einzelnen Schaltungselemente im Wesentlichen konstant ist, und zwar möglichst bei jedem beliebigen Schaltzustand der einzelnen Schaltungselemente, und die darüber hinaus mit einer einfachen Ansteuerung und möglichst wenig elektrischen Verbindungen für die Steuerung der einzelnen Schaltungselemente auskommt. Des weiteren soll eine optische Schaltungsanordnung mit einem ersten und einem zweiten hintereinander angeordneten Schaltungselement bereitgestellt werden, bei der polarisationsabhängige Verluste auf möglichst einfache Art und Weise kompensiert. bzw. reduziert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine optische Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach zeichnet sich ein erster Aspekt der Erfindung dadurch aus, dass das zweite Schaltungselement sich hinsichtlich der Abhängigkeit seiner optischen Eigenschaften von der Steuerleistung komplementär oder näherungsweise komplementär zum ersten Schaltungselement verhält. Dies bedeutet beispielsweise bei einer Reihenschaltung von zwei Abschwächern, dass die Abschwächung des einen Abschwächers mit der Steuerleistung steigt und die Abschwächung des anderen Abschwächers mit der Steuerleistung sinkt. Wenn beide Abschwächer sich ideal komplementär verhalten, so beträgt die Steuerleistung für beide Abschwächer nicht mehr als die Steuerleistung eines einzelnen Abschwächers. Zudem ist die Summenleistung konstant. Für komplementäre Schalter oder andere komplementäre Schaltungselemente gilt das Gleiche.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird auch erreicht, dass die Schaltleistung sich nicht proportional mit der Anzahl der Bauelemente vergrößert. Für eine gerade Anzahl von Elementen reduziert sich die Summenleistung im Idealfall auf die Leistung von n/2 Schaltungselementen, wobei die Summenleistung konstant ist, n = 2,4,6,... . Dabei ist es nicht erforderlich, dass in der Gesamtarchitektur ein Schaltungselement und ein dazu komplementäres Schaltungselement abwechselnd angeordnet sind. Es ist lediglich erforderlich, dass von jeder Art (normales Schaltungselement und komplementäres Schaltungselement) gleich viel Element vorhanden sind. Bei einer ungeraden Anzahl von Elementen lässt sich die Summenleistung auf n/2 + 1 der Leistung eines einzelnen Elementes beschränken, n = 1,3,5,7,... . Die Summenleistung ist immer noch näherungsweise konstant: sie schwankt lediglich um die Leistung eines Elementes.
Optische Eigenschaften eines Schaltungselementes, die von der Steuerleistung abhängig sind, sind insbesondere der Transmissions- bzw. Abschwächungsgrad und der Schaltzustand eines Schaltungselementes. So ist bei einem Abschwächer die relevante optische Eigenschaft, die von der Steuerleistung abhängt, die Transmission. Bei einem Schalter ist es der Schaltungszustand, d.h. das Einstellen eines bestimmten Ausgangstors des optischen Schalters. Erfindungsgemäß ist die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften eines Schaltungselementes von der Steuerleistung bei dem zweiten Schaltungselement komplementär oder näherungsweise komplementär zu dem ersten Schaltungselement: sie verhalten sich gegensätzlich.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht, wie bereits erläutert, die Summe der in den beiden Schaltungselementen anliegenden Steuerleistungen im Wesentlichen konstant zu halten. Es kann jedoch ebenfalls vorgesehen sein, dass die Summe der an den beiden Schaltungselementen anliegenden Steuerleistungen geringfügig schwankt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die beiden Schaltungselemente leicht unterschiedliche Steuerleistungen benötigen. Das erste Schaltungselement und das zweite Schaltungselement verhalten sich in diesem Fall nicht ideal komplementär zueinander. Es wird insgesamt eine etwas höhere Leistung als die eines der Einzelelemente benötigt und die Summenleistung schwankt aufgrund der Asymmetrie der Elemente leicht. Eine solche Anordnung weist jedoch den Vorteil auf, dass sich die optischen Eigenschaften der optischen Anordnung, insbesondere die Schalt- oder Abschwächercharakteristik günstig beeinflussen lässt, so dass die genannte Asymmetrie in Kauf genommen wird, um bestimmte Eigenschaften der Schaltungsanordnung zu optimieren.
Bei den durch die erläuterte Asymmetrie optimierten Eigenschaften handelt es sich insbesondere um eine Verbreiterung der Transmissionsminima. Dies ermöglicht, die Transmissionsminima, die insbesondere bei Mach-Zehnder-Interferometern sehr scharf definiert sind und darüber hinaus eine hohe Polarisationsabhängigkeit aufweisen, leichter anzusteuern. Das Bauelement wird insgesamt weniger empfindlich gegenüber Ansteuerschwankungen.
Die Summe der in den beiden Schaltungselementen anliegenden Steuerleistungen schwankt bevorzugt um maximal 20 Prozent, insbesondere um 5 bis 10 Prozent.
Zur Realisierung einer unterschiedlichen Steuerleistung an dem einen Schaltungselement ist beispielsweise vorgesehen, dass bei einem der Schaltungselemente ein Widerstand elektrisch in Reihe geschaltet ist. Der Widerstand ist bevorzugt regelbar ausgeführt und nimmt einen Teil der Verlustleistung auf. Auf diese Weise kann der Schaltleistungspunkt des Schaltungselementes verschoben werden, bis die gewünschte Schaltcharakteristik der Gesamtschaltung erreicht ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die optischen Schaltungselemente jeweils ein Mach-Zehnder-Bauelement als Phasenschieber auf, wobei das Mach-Zehnder-Bauelement einen ersten Arm und einen zweiten Arm besitzt. Ein komplementär ausgebildetes Schaltungselement wird dabei dadurch realisiert, dass der eine Arm des Mach-Zehnder-Bauelementes ohne Anliegen einer Steuerspannung gegenüber dem anderen Arm des Mach-Zehnder-Bauelementes einen Phasenunterschied von π aufweist. Ein Phasenunterschied von in einem Arm des Mach-Zehnder-Bauelementes wird zum Beispiel durch unterschiedlich breite und/oder unterschiedlich lange Arme realisiert.
Unter einem Mach-Zehnder-Bauelement wird ein Bauelement verstanden, bei dem ein Phasenschieber zwischen Y-Gabeln oder Richtkopplern eingebettet ist. Es kann sich somit sowohl um ein Mach-Zehnder-Interferometer mit zwei Y-Gabeln als auch um einen Mach-Zehnder-Koppler mit einer Y-Gabel und einem Richtkoppler (3-Tor Mach-Zehnder-Koppler) oder einen Phasenschieber mit zwei Richtkopplern (4-Tor Mach-Zehnder-Koppler) handeln.
Sofern die Schaltungselemente jeweils Abschwächervorrichtungen auf der Basis von Mach-Zehnder-Interferometern sind, die ein optisches Signal in Abhängigkeit von der anliegenden Steuerleistung in definierter Weise abschwächen, wird das Signal im komplementären Schaltelement aufgrund des Phasenunterschiedes von π maximal abgeschwächt, wenn kein Steuerstrom anliegt. Zur Beaufschlagung des Mach-Zehnder-Bauelementes mit einer Steuerleistung ist ein Heizelement vorgesehen, das sich auf einem Arm des Mach-Zehnder-Bauelementes bzw. Mach-Zehnder-Interferometers befindet. Die Abschwächung der komplementären Abschwächer-Vorrichtung nimmt mit der Steuerleistung bzw. dem Steuerstrom ab und ist minimal, wenn über die Steuerleistung ein Phasenunterschied von π eingeprägt wird.
Bei den erfindungsgemäßen Schaltungselementen handelt es sich in einer anderen bevorzugten Ausgestaltung um optische Schalter auf der Basis von Mach-Zehnder-Kopplern mit ein oder zwei Eingangstoren und zwei Ausgangstoren, wobei das Schaltungselement durch Anlegen einer elektrischen Steuerleistung zwischen einem Cross-Durchgang und einem Bar-Durchgang verstellbar ist.
Ein entsprechender Schalter besteht aus einem Phasenschieber, an dem sich eingangsseitig eine Y-Gabel oder ein symmetrischer Richtkoppler und ausgangsseitig ein symmetrischer Richtkoppler anschließen. Im Grundzustand wird ein Eingangssignal von einem Eingangstor in das quer gegenüber liegende Ausgangstor gekoppelt (Cross-Durchgang). Bei Anliegen einer Steuerspannung an ein Heizelement auf einem der Arme des Phasenschieber passiert das Signal den Schalter gerade (Bar-Durchgang). Bei einem komplementären Schalter ist die Situation entgegengesetzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung einer Anordnung von zwei optischen Schaltern ist das Eingangstor des zweiten, komplementären Schalters mit einem Ausgangstor des ersten Schalters verbunden. Das andere Ausgangstor des ersten Schalters wird dagegen an dem zweiten Schalter vorbeigeführt. Über den zweiten Schalter wird die Isolation zwischen den beiden Schaltzuständen bzw. Ausgangskanälen wesentlich erhöht.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist bei mindestens einem Schaltungselement der eine Arm des Mach-Zehnder-Bauelementes eine größere Breite auf als der andere Arm, und zwar in einem Maße, dass eine intrinsische polarisationsabhängige Abschwächung durch den Breitenunterschied der Arme kompensiert bzw. reduziert wird. In einem Mach-Zehnder-Bauelement macht sich die durch eine Spannungsdoppelbrechung im Wellenleiter hervorgerufene polarisationsabhängige Abschwächung durch eine Verschiebung der Schalter- bzw. Abschwächercharakteristik bemerkbar. Man benötigt ca. 5 Prozent unterschiedliche Schaltleistungen für unterschiedlich polarisiertes Licht. Die Transmission für eine feste Schaltleistung schwankt dadurch stark, wenn der Arbeitspunkt nahe am steil verlaufenden Minimum der Transmission liegt. Es lässt sich allerdings über die Wellenleiterbreite die Doppelbrechung eines Wellenleiters steuern. Verbreitert man wie in dieser Erfindungsvariante vorgesehen einen der Arme des Mach-Zehnder-Interferometers, so addiert sich zu der intrinsisch vorhandenen Spannungsdoppelbrechung noch eine designbestimmte Doppelbrechung. Je nachdem, welcher Arm des Mach-Zehnder-Interferometers verbreitert oder verjüngt wird, wirkt diese zusätzliche Doppelbrechung additiv oder kompensierend. Durch eine geeignete Variation der Breite eines der Arme lässt sich die intrinsische polarisationsabhängige Abschwächung daher kompensieren oder zumindest reduzieren.
Praxisversuche haben dabei gezeigt, dass bevorzugt derjenige Arm des Mach-Zehnder-Bauelementes, auf dem ein mit der Steuerleistung beaufschlagtes Heizelement liegt, im Vergleich zum anderen Arm eine um 5 bis 15 Prozent reduzierte Breite aufweist.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, das eine Schaltungselement mit einer Steuerleistung derart beaufschlagt wird, dass der Arbeitspunkt des Schaltungselementes vor dem Minimum der Transmission des Schaltungselementes liegt, und dass das andere Schaltungselement mit einer Steuerleistung derart beaufschlagt wird, dass der Arbeitspunkt des Schaltungselementes hinter dem Minimum der Transmission des Schaltungselementes liegt.
Diese Ausgestaltung stellt eine weitere Maßnahme dar, um die Polarisationsabhängigkeit der Abschwächung zu reduzieren. Sie beruht auf der Überlegung, dass aufgrund der Doppelbrechung die Transmissionsminima für die beiden Haupt-Polarisationsrichtungen nicht zusammenfallen. In der Nähe der Minima ist daher die Differenz zwischen der Transmission parallel zur Schichtebene polarisierten Lichtes (TE) und zwischen der Transmission senkrecht zur Schichtebene polarisierten Lichtes (TM) besonders hoch. Vor dem Minimum sind die Verluste für eine Polarisationsrichtung, zum Beispiel TE, größer als für die andere, zum Beispiel TM. Nach Durchschreiten der Minima kehren sich die Verhältnisse um, d.h. es sind nur die Verluste für TM-polarisiertes Licht größer als für TE-polarisiertes Licht.
Dementsprechend kann durch Hintereinanderschalten von zwei Interferometern die Polarisationsabhängigkeit der Transmission kompensiert werden, wenn das eine Schaltungselement in einem Arbeitspunkt vor dem Minimum der Transmission und das andere Schaltungselement an einem Arbeitspunkt hinter dem Minimum der Transmission betrieben wird. Die Abschwächung ist dann für beide Polarisationsrichtungen gleich groß.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 16 kommt diese erfindungsgemäße Lehre zur Reduzierung polarisationsabhängiger Verluste allgemeiner zum Ausdruck, wobei das zweite Schaltungselement nicht notwendigerweise komplementär zum ersten Schaltungselement ausgebildet sein muss. Vielmehr kommt es lediglich darauf an, dass das eine Schaltungselement mit einer Steuerleistung derart beaufschlagt wird, dass der Arbeitspunkt des Schaltungselementes vor dem Minimum der Transmission liegt, und dass das andere Schaltungselement mit einer Steuerleistung derart beaufschlagt wird, dass der Arbeitspunkt des Schaltungselementes hinter dem Minimum der Transmission liegt.
Die Schaltungselemente sind dabei bevorzugt Mach-Zehnder-Bauelemente, wobei jedem Mach-Zehnder-Bauelement ein mit der Steuerleistung beaufschlagtes Heizelement zugeordnet ist, das sich auf einem Arm des Mach-Zehnder-Bauelementes befindet.
Bevorzugt ist das zweite Schaltungselement als komplementäres Mach-Zehnder-Bauelement ausgebildet, das eine Phasenverschiebung von π oder näherungsweise π gegenüber dem anderen Arm aufweist. Dies ist insofern vorteilhaft, als dann kein oder ein nur geringer Leistungsverbrauch notwenig ist, um einen der Schaltungselemente in einem Arbeitspunkt oberhalb des Minimums der Transmission zu betreiben.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird eine weitere Reduktion der notwenigen Heizleistung des Mach-Zehnder-Bauelementes dadurch erreicht, dass Gräben in der wellenführenden Schicht und/oder einem Trägersubstrat des optischen Schaltkreises eingebracht sind, die thermisch isolierend wirken. Die Gräben sind beispielsweise durch Ätzen hergestellt und isolieren das Heizelement von der Wärmesenke des Substrats. Die Schaltungsanordnung ist dabei wie auch in allen übrigen Anwendungsfällen bevorzugt integriert optisch auf einem planaren optischen Schaltkreis ausgebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung mit zwei hintereinander angeordneten, komplementär zueinander ausgebildeten Abschwächervorrichtungen;
2 schematisch eine einzelne Abschwächervorrichtung;
3 die Transmission einer Abschwächervorrichtung sowie zweier in Reihe geschalteter Abschwächervorrichtungen in Abhängigkeit von der Heizleistung gemäß dem Stand der Technik;
4 die Abschwächungscharakteristik einer normalen und einer dazu komplementären Abschwächervorrichtung;
5 die Abschwächungscharakteristik einer Reihenschaltung zweier zueinander komplementärer Abschwächervorrichtungen gemäß 1;
6 ein Beispiel für die Beschaltung zweier in Reihe geschalteter, zueinander komplementärer Abschwächervorrichtungen, wobei der Heizwiderstand der einen Abschwächervorrichtung durch einen Widerstand regelbar ist;
7 die Transmission und die Polarisationsabhängigkeit der Transmission einer auf einem Mach-Zehnder-Bauelement basierenden Abschwächervorrichtung;
8 die Abschwächungscharakteristik einer Reihenschaltung zweier zueinander im Wesentlichen komplementärer Mach-Zehnder-Interferometer mit geringfügig unterschiedlicher Schaltleistung;
9 die Polarisationsabhängigkeit der Abschwächung in Abhängigkeit von der Breite eines der Arme eines Mach-Zehnder-Bauelementes;
10 einen 4-Tor Mach-Zehnder-Koppler mit einem eingangsseitigen 3dB-Koppler und einem ausgangsseitigen 3dB-Koppler;
11 einen zu dem Mach-Zehnder-Koppler der 10 komplementären Mach-Zehnder-Koppler;
12 die Schaltcharakteristik eines Mach-Zehnder-Kopplers gemäß 10 für den Bar- und den Cross-Durchgang;
13 ein Ausführungsbeispiel einer Schalteranordnung mit zwei komplementären Schaltern;
14 schematisch die Abhängigkeit der Transmission eines Mach-Zehnder-Bauelementes von der Polarisation;
15 zwei in Reihe geschaltete Mach-Zehnder-Bauelemente, wobei der Arbeitspunkt des einen Bauelementes vor und der Arbeitspunkt des anderen Bauelementes hinter dem Minimum der Transmisson liegt und
16 eine Anordnung gemäß 15, wobei das zweite Mach-Zehnder-Bauelement eine Phasenverschiebung von π aufweist.
2 zeigt ein an sich bekanntes Mach-Zehnder-Interferometer 1 bestehend aus einem Eingangswellenleiter 11, einem Splitter bzw. einer Y-Gabel 12, zwei parallel verlaufenden Armen 13, 14, einem Combiner bzw. einer weiteren Y-Gabel 15 und einen Ausgangswellenleiter 16. Auf einem der Arme, im dargestellten Ausführungsbeispiel dem unteren Arm 14 liegt eine Heizelektrode 2, die über eine Steuerelektronik mit einem Steuerstrom bzw. einer Steuerleistung beaufschlagt wird. Über die Steuerleistung lässt sich die Temperatur in dem entsprechenden Arm 14 und darüber dessen Brechungsindex einstellen. Hierdurch werden die in den beiden Armen 13, 14 laufenden Partialwellen gegeneinander phasenverschoben, was zu einer Änderung der Ausgangsleistung führt.
Wenn kein Phasenunterschied zwischen den Partialwellen der beiden Arme besteht, passiert ein optisches Signal das Mach-Zehdner-Interferometer 1 ungestört. Bei einem Phasenunterschied von π wird das optische Signal dagegen maximal abgeschwächt. Für einen einzelnen Abschwächer werden typischerweise Abschwächungen in der Größenordnung von bis zu 40 dB erreicht. In 3 zeigt die durchgezogene Linie die Transmission eines einzelnen Mach-Zehnder-Interferometers in Abhängigkeit von der Heizleistung. Es ist zu erkennen, dass bei einer Heizleistung von 50 mW die Transmission minimal und die Abschwächung maximal ist.
Die gestrichelte Linie der 3 zeigt die Gesamtabschwächung eines Systems, bei dem zwei baugleiche Abschwächer 1, 3 in Reihe hintereinander angeordnet sind. Die maximal zu erreichende Abschwächung verdoppelt sich. Nachteilig verdoppelt sich aber auch die Summe der erforderlichen Steuerleistungen.
1 zeigt eine optische Schaltungsanordnung, bei der ein erster Abschwächer 1 und ein zweiter sich in seiner Abschwächercharakteristik komplementär verhaltender Abschwächer 1' in Reihe zueinander geschaltet sind. Beide Abschwächer sind als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet. Der komplementäre Abschwächer 1' wird dadurch realsisiert, dass zwischen seinen beiden Armen 13', 14' ein fester Phasenunterschied von π realisiert ist. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass ein Arm des Mach-Zehnder-Interferometers unterschiedlich breit oder unterschiedlich lang ausgebildet ist. Eine unterschiedliche Länge führt offensichtlich zu einem Phasenunterschied. Gleiches gilt auch für eine unterschiedliche Breite, da über die Breite die effektive Brechzahl des Wellenleitermaterials einstellbar ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Darstellung der 1 lediglich schematisch ist. In der Praxis würden die beiden Abschwächer 1, 1' etwas versetzt zueinander angeordnet sein, um die Einkopplung von Streulicht in den zweiten Abschwächer 1' zu reduzieren.
Für den Fall, dass bei dem komplementär bzw. entgegengesetzt ausgebildeten Abschwächer 13' keine Steuerleistung an dem Heizelement 2' anliegt, wird das optische Signal aufgrund des Phasenunterschiedes von π maximal abgeschwächt. Die Abschwächung nimmt dann mit zunehmenden Steuerstrom ab und ist minimal, wenn über den Steuerstrom ein Phasenunterschied von π eingeprägt wird, so dass der bereits vorhandene Phasenunterschied gerade aufgehoben wird.
Die 4 zeigt die Schaltcharakteristik eines normalen Abschwächers 1 und eines dazu komplementären Abschwächers 1'. Bei einer Heizleistung von Null mW ist die Abschwächung beim normalen Abschwächer minimal, beim komplementären Abschwächer maximal. Bei einer Heizleistung von etwa 50 mW, die beim betrachteten Ausführungsbeispiel einem Phasenunterschied von π entspricht, ist die Situation umgekehrt. Die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften, d.h. des Transmissions- bzw. Abschwächungsgrades des einen Schaltungselementes von der Steuerleistung ist komplementär zu dem entsprechenden Verhalten des anderen Schaltungselementes. Insofern liegen zueinander komplementäre Abschwächer vor.
Die beiden Abschwächer 1, 1' gemäß 3 werden nun derart geregelt, dass die Steuerleistung P1 des einen Abschwächers 1 plus der Steuerleistung P1' des komplementären Abschwächers 1' gleich einem im Wesentlichen konstanten Wert Pmax ist: P1 + P1' = Pmax.
Dabei bezeichnet Pmax die Schaltleistung, welche den normalen Abschwächer auf maximale Abschwächung bzw. den komplementären Abschwächer auf minimale Abschwächung bringt. P1 bezeichnet die am ersten Abschwächer 1 angelegte Schaltleistung und P1' die am komplementären Abschwächer 1' angelegte Schaltleistung.
Das Gesamtsystem erreicht die doppelte Abschwächung eines einzelnen Abschwächers bei gleicher und dabei konstant anliegender Leistungsaufnahme. Dies ist in 5 als Diagramm dargestellt, wobei die Heizleistung der normalen Stufe und die Heizleistung der komplementären Stufe jeweils in Abhängigkeit von der Abschwächung aufgetragen sind. Jeder einzelne Abschwächer erreicht eine Abschwächung von –40 dB bei einer Schaltleistung von 50 mW. Die Reihenschaltung der beiden zueinander komplementären Abschwächer erreicht die doppelte Abschwächung von 80 dB. Die Summe der Schaltleistungen liegt dabei konstant bei 50 mW, ist also identisch mit der maximalen Schaltleistung jeder einzelnen Stufe. Dies wird gerade durch die komplementäre Ausgestaltung der beiden Schaltungselemente 1, 1' ermöglicht.
Die beschriebene Funktionalität wird ebenso bei Schaltern auf der Basis von Mach-Zehnder-Interferometern erreicht und ebenso bei allen anderen Schalt- oder Abschwächer-Prinzipien, bei denen sich komplementäre Beschaltungen realisieren lassen.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Schaltung gemäß 1 die Summe der Schaltleistungen der beiden Abschwächer 1, 1' nicht nur bei den Maxima bzw. Minima der Abschwächung konstant ist, sondern auch bei sämtlichen Zwischenstufen. Wird beispielsweise eine Abschwächung von lediglich –10 dB gewünscht, so wird die Heizleistung der normalen Stufe 1' auf 60 Prozent und die Heizleistung der komplementären Stufe 1' auf 40 Prozent der Maximalleistung gesetzt, vgl. 5. Es ist möglich, bei konstanter Leistung jeden gewünschten Transmissions- bzw. Abschwächungsgrad zu realisieren. Insofern ist eine analoge Steuerung möglich.
In einer gegenüber der Ausführungsform der 1 leicht abgewandelten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die beiden Schaltungselemente 1, 1' sich nicht ideal komplementär zueinander verhalten und vielmehr die Steuerleistung des einen Schaltungselementes sich von der Steuerleistung des anderen Schaltungselementes leicht unterscheidet. Die damit verbundene Asymmetrie kann dazu benutzt werden, bestimmte Eigenschaften, insbesondere die Abschwächungscharakteristik bzw. im Falle von Schaltern die Schaltcharakteristik zu modifizieren.
Diesbezüglich ist zu beachten, dass bei auf einem Mach-Zehnder-Bauelement basierenden Schalter oder Abschwächer die Schaltcharakteristik durch den Zehnerlogarithmus des Quadrates der Cosinusfunktion beschrieben wird. Entsprechend dieser funktionellen Abhängigkeit liegen scharf definierte Minima der Transmission vor, vgl. etwa 4. Dementsprechend ist nachteilig eine sehr präzise Steuerelektronik erforderlich, um die Minima exakt anzusteuern. Es liegt aufgrund der scharf definierten Minima auch eine relativ große Empfindlichkeit gegenüber Alterungsvorgängen vor, welche in der Regel zu einer Verschiebung der Lage der Minima führen.
Wie in 7 dargestellt ist, besitzen Mach-Zehnder-Bauelemente des weiteren Abschwächungscharakteristika, die aufgrund der intrinsischen Doppelbrechung in den Wellenleitern polarisationabhängig sind. Aufgrund der Doppelbrechung fallen die Transmissionsminima für die beiden Polarisationsrichtungen TE und TM nicht zusammen. TE bezeichnet dabei parallel zur Schichtebene des Wellenleiters polarisiertes Licht und TM senkrecht zur Schichtebene des Wellenleiters polarisiertes Licht. Die Differenz gibt die Polarisationsabhängigkeit PDL der Abschwächung (PDL – (polarisation dependent loss) an.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 10 sind die Minima der Transmission für die Polarisationen TE und TM um ca. 4 Prozent zueinander verschoben. Die Differenz der beiden Transmissionskurven ist als Polarisationsabhängigkeit PDL in Abhängigkeit ebenfalls von der Heizleistung aufgetragen. Die PDL beträgt im dargestellten Fall in der Nähe des Transmissionsminimums über 10 dB. Das Ausgangssignal ändert sich somit bei einer festen Steuerleistung relativ stark, wenn sich die Polarisation des optischen Signals ändert.
In beiden vorgenannten Fällen ist es erstrebenswert, das Minimum der Transmission zu verbreitern, so dass das Bauelement weniger empfindlich gegenüber einer Polarisationsabhängigkeit ist und die Steuerelektronik einen größeren Spielraum besitzt, das Minimum der Transmission anzufahren.
Hierzu kann vorgesehen sein, dass die in Reihe geschalteten Schaltungselemente 1, 1' gemäß 1 nicht ideal komplementär zueinander ausgebildet sind, sondern sich leicht unterschiedlich verhalten. Beispielsweise beträgt der Phasenunterschied zwischen den beiden Armen 13', 14' des komplementären Abschwächers 1' gemäß 1 nicht π, sondern einen davon geringfügig abweichenden Wert. Die Schaltleistung, die erforderlich ist, um ein Minimum oder Maximum der Transmission einzustellen ist dadurch verändert.
8 zeigt die Transmission in Abhängigkeit von der Heizleistung für zwei Reihenschaltungen von Abschwächern gemäß 1, wobei bei der einen Reihenschaltung das zweite Mach-Zehnder-Interferometer 1' fünf Prozent mehr Schaltleistung und bei der anderen Reihenschaltung das zweite Mach-Zehnder-Interferometer 1' zehn Prozent mehr Schaltleistung benötigt. Die maximale Abschwächung der Einzelelemente wurde mit 40 dB angesetzt, ihre Schaltleistung mit 50 mW bzw. 52,5 mW und 55 mW. Die Gesamtcharakteristik weist nun nicht mehr die doppelte Abschwächung in einem Minimal auf, sondern eine mit dem Heizleistungs-Offset abnehmende maximale Abschwächung in zwei Minima 41, 42, 51, 52. Bei dem kleineren Heizleistungs-Offset von 5 Prozent der Kurve 4 liegen die Minima 41, 42 relativ nah beieinander. Bei der Kurve 5 bei einem Heizleistungs-Offset von 10 Prozent liegen die Minima 51, 52 weiter auseinander. 8 stellt einen berechneten Verlauf dar. In der Realität würden sich zwei Minima nur für einen reinen Polarisationszustand exakt ausbilden. Für einen gemischten Polarisationszustand, wie er üblicherweise vorliegt, erhält man für kleine Offset ein einfach verbreitetes Minimum. Die Polarisationsabhängigkeit ist dadurch reduziert.
Die in 8 dargestellte Verbreiterung des Minimums der Transmission kann auch erreicht werden, wenn die beiden Schaltungselemente 1, 1' im Wesentlichen ideal komplementär zueinander ausgebildet sind. Eine Verschiebung des Arbeitspunktes eines der Schaltungselemente 1, 1' wird dabei durch einen zusätzlichen Widerstand erreicht, der dem Heizelement eines der Schaltelemente in Reihe geschaltet wird. So ist in 6 dem Heizelement 2' für den komplementären Abschwächer 1' gemäß 1 ein einstellbarer Widerstand 6 in Reihe geschaltet. Ein Teil der elektrischen Verlustleistung fällt am Widerstand 6' ab. Das Heizelement 2' erreicht dementsprechend erst bei einem höheren Gesamtsteuerstrom die gleiche Temperatur wie das Heizelement 2 im ersten Abschwächer 1, das keinen zusätzlichen Widerstand aufweist. In entsprechender Weise kann der Widerstand natürlich auch dem Heizelement 2 des ersten Abschwächers zugeordnet sein. Auch lässt sich das Prinzip ebenso an anderen Schaltelemente wie optischen Schaltern verwirklichen.
Im Ergebnis wird wiederum entsprechend 8 eine Verbreiterung des Minimums der Transmission erzielt, auch wenn der zweite Abschwächer 1' eine Phasenverschiebung genau von n aufweist.
Die 9 beschreibt ein weitere Ausgestaltung, mit der sich die Polarisationsabhängigkeit der Abschwächung reduzieren lässt. Gemäß der 9 ist ein Mach-Zehnder-Bauelement 7 vorgesehen, bei dem die beiden Arme 73, 74 eine unterschiedliche Breite aufweisen. So ist die Breite des Armes 74, auf dem die Heizelektrode 2 zur Steuerung der Abschwächung liegt, relativ zum anderen Arm 73 um 5 bis 15 Prozent je nach verwendeter Technologie reduziert.
In dem Diagramm der 9 ist die polarisationsabhängige Abschwächung PDL bei 10 dB Abschwächung in Abhängigkeit von der Breite des unteren Armes 74 des Mach-Zehnder-Interferometers 7 für ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Wellenleiter und das Mach-Zehnder-Bauelement 7 in Glas auf Silizium Technologie ausgeführt sind. Der symmetrische Fall, in dem beide Arme 73, 74 die gleiche Wellenleiterbreite besitzen, liegt bei einer Wellenleiterbreite von 6,8 μm (Pfeil A). Die PDL beträgt für diesen Fall 1,5 dB. Eine Verjüngung oder Verbreiterung des unteren Armes ruft eine zusätzliche, designbedingte Doppelbrechung hervor, die sich der intrinsischen Doppelbrechung des Mach-Zehnder-Interferometers überlagert. Dieser Effekt wird zur Reduzierung der Gesamt-Polarisationsabhängigkeit genutzt. Die Breite des oberen Armes 73 des Mach-Zehnder-Bauelementes 7 ist konstant und beträgt im Ausführungsbeispiel 6,8 μm.
Wird in 9 der untere Arm 74 verbreitert, so wirkt die zusätzlich entstehende PDL additiv. Die Gesamt-PDL steigt an. Wird die Breite des unteren Armes 74 auf 5,3 μm reduziert (Pfeil B), so ist die PDL insgesamt auf einen Wert kleiner 0,3 dB reduziert. Eine weitere Reduktion der Armbreite führt wieder zu einem Anwachsen der PDL.
Eine unterschiedliche Breite der Wellenleiterarme wird bei einer Anordnung gemäß 1 bevorzugt sowohl bei dem einen Mach-Zehnder-Bauelement als auch bei dem komplementär dazu ausgebildeten Mach-Zehnder-Bauelement realisiert, kann alternativ aber auch nur an einem der Bauelemente realisiert sein. Die beschriebene Kompensation der polarisationsabhängigen Abschwächung kann in gleicher Weise bei Schaltern und anderen thermooptischen Phasenschiebern benutzt werden. Die Verwendung unterschiedlich breiter Wellenleiterarme bei einem Phasenschieber ist dabei nicht auf Anordnungen beschränkt, bei denen ein Schaltungselement und ein dazu komplementäres Schaltungselement in Reihe geschaltet sind, sondern kann davon unabhängig allgemein zur Kompensation einer polarisationsabhängigen Abschwächung eingesetzt werden.
Die 10 zeigt einen Mach-Zehnder-Koppler 8, der zwei Eingänge In1, In2, einen eingangsseitigen symmetrischen 3dB-Richtkoppler 81, zwei Wellenleiterarme 82, 83, einen ausgangsseitigen symmetrischen 3dB-Richtkoppler 84 und zwei Ausgänge Out1, Out2 aufweist.
Koppelt man Licht in den Eingangskanal In1 ein, so wird das Eingangssignal, sofern das Heizelement 2 nicht mit einer Leistung beaufschlagt wird und die beiden Partialwellen in den Armen 82, 83 keine Phasenverschiebung aufweisen, aufgrund der beiden 3dB-Koppler, die jeweils 50 Prozent des Signals in den anderen Wellenleiter einkoppeln, dem Ausgang Out2 zugeführt. Das Signal passiert den Schalter 8, sofern dieser nicht aktiviert ist und keine Phasenverschiebung zwischen den Armen 82, 83 eingearbeitet ist, diagonal. Dies wird auch als ein „Cross"-Durchgang bezeichnet.
Legt man dagegen eine Steuerleistung an das Heizelement 2, so wird eine Phasenverschiebung der Partialwellen in den Armen 82, 83 erzeugt. Beträgt die Phasenverschiebung π, so wechselt das Ausgangssignal auf den Ausgang Out1. Das Signal passiert den Schalter 8 im aktivierten Zustand also in gerader Richtung. Dieser Schaltungszustand wir auch als „bar"-Durchgang bezeichnet.
11 zeigt einen zu dem Schalter 8 gemäß 10 komplementären Schalter 8'. Der Schalter 8' ist insofern komplementär, als der Schaltzustand in komplementärer Weise von der Steuerleistung abhängt. So liegt bei nicht aktiviertem Schalter ein „bar"-Durchgang vor, d.h. das Eingangssignal In1 wird auf den Ausgang Out1 gelegt. Im aktivierten Zustand, d.h. bei Bereitstellung einer Phasenverschiebung von π durch die Heizleistung des Heizelementes 2 wird der „Cross"-Durchgang geschaltet, d.h. das Eingangssignal In1 wird auf den Ausgang Out2 gelegt.
Um dies zu erreichen, ist in dem Schalter 8' eine Phasenverschiebung von π realisiert, beispielsweise durch unterschiedlich lange oder unterschiedlich breite Arme 82', 83'. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der obere Arm 82' um einen Betrag länger, der einer Phasenverschiebung von π entspricht.
Die 12 zeigt die Schaltcharakteristik eines normalen Schalters 1, der auf einem Mach-Zehnder-Koppler basiert, für den Bar- und den Crossdurchgang. Die Heizleistung für eine π-Phasenverschiebung beträgt wiederum 50mW. Man erkennt, dass die Isolation zwischen den Schaltzuständen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel –40 dB beträgt.
In 13 sind zwei zueinander komplementäre optische Schalter 8, 8' in Reihe geschaltet. Bei den Schaltern 8, 8' handelt es sich beispielsweise um die Schalter 8, 8' gemäß den 10 und 11.
Der Bar-Ausgang des ersten Schalters 8 stellt den einen Ausgang Out1 der Gesamtanordnung dar. Der Cross-Ausgang Out2' des ersten Schalters 8 wird einem Eingang In1' des zweiten Schalters 8' zugeführt. Der zweite Schalter 8' ist wie erläutert gegenüber dem ersten Schalter 8 komplementär aufgebaut. Der Bar-Ausgang des zweiten Schalters 8' wird auf einen toten Arm gelegt. Der Cross-Ausgang des zweiten Schalters 8' stellt den zweiten Ausgang Out2 der Gesamtanordnung dar.
Die beiden komplementären Schalter 8, 8' werden ähnlich wie bei der Anordnung gemäß 1 mit einer konstanten Gesamtsteuerleistung betrieben, d.h. die Summe der Steuerleistungen der Schalter 8, 8' ist konstant und entspricht dabei der Schaltleistung, die einer der beiden Schalter 8, 8' maximal für eine Änderung des Schaltzustandes benötigt. Durch die konstante Summenleistung kann ein gutes thermisches Management der Schaltungsanordnung realisiert werden.
Die Schaltungsanordnung der 13 wird dabei derart betrieben, dass entweder der Schalter 8 oder der Schalter 8' aktiviert ist, während der jeweils andere Schalter nicht aktiviert ist.
Es wird zunächst der Fall betrachtet, dass der Schalter 8 aktiviert ist. Das Eingangssignal wird durch den Schalter 8 für diesen Fall auf den Ausgang Out1 gelegt. Am Cross-Ausgang Out2' liegt lediglich ein um beispielsweise 30 dB geschwächtes Schmutzsignal vor. Eine weitere Isolation der Ausgangskanäle erfolgt durch den zweiten Schalter 8'. Das um 30 dB geschwächte Ausgangssignal wird im komplementären Schalter 8', der nicht aktiviert ist, in den toten Arm X geführt. Lediglich ein um weitere 30 dB geschwächtes Signal liegt am Cross-Ausgang Out2 an, so dass die Gesamtschwächung bei konstanter Heizleistung verdoppelt wurde.
Im zweiten Fall ist der Schalter 8 deaktiviert und der Schalter 8' aktiviert. Für diesen Fall liegt am Schalter 8 ein Cross-Durchgang vor und das Ausgangssignal wird dem zweiten, aktivierten komplementären Schalter 8' zugeführt. Dort wird es auf den Ausgang Out2 gelegt. Am anderen Ausgang Out1 liegt ein um 30 dB geschwächtes Signal vor. Die Isolation der beiden Schaltzustände wurde zwar nicht erhöht, jedoch im Wesentlichen erhalten.
Die Schaltung der 13 ist besonders geeignet für Fälle, in denen die Isolation zwischen den Schaltzuständen nicht symmetrisch ist. Beispielsweise beträgt die Isolation zwischen den Schaltzuständen beim Schalter 8 im Cross-Durchgang 30 dB, beim Bar-Durchgang jedoch nur 10 dB.
Im letzteren Fall wird das Ausgangssignal auf den Ausgang Out1 gegeben. Der Cross-Ausgang Out2' des Schalters 8 weist jedoch ein nur um 10 dB geschwächtes Schmutzsignal auf. Im Schalter 8' liegt wiederum eine asymmetrische Isolation zwischen den Schaltzuständen vor. Das Schmutzsignal wird durch den nicht aktivierten, komplementären Schalter 8' auf den toten bar-Ausgang X gelegt. Am Cross Ausgang liegt ein Schmutzsignal vor, das erneut um 10 db geschwächt wurde. Am Ausgang Out2 liegt somit insgesamt ein um 20 dB geschächtes Schmutzsignal vor. Die Ausgänge Out1 und Out2 sind dementsprechend stärker gegeneinander isoliert.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch bei der Anordnung der 13 die Schalter 8, 8' nicht ideal komplementär ausgebildet sein können und vielmehr eine leicht unterschiedliche Schalt- bzw. Steuerleistung aufweisen können.
Die 14 bis 16 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Schaltungselemente in Reihe hintereinander geschaltet sind, wobei durch besondere Maßnahmen die Effektivität der Schaltung erhöht wird. In 14 ist dabei zunächst für einen 4-Tor Mach-Zehnder-Koppler 9 mit zwei Armen 93, 94 und einem Heizelement 2 die Abhängigkeit der Transmission von der Heizleistung für zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen TE, TM dargestellt, sowie die Differenz der entsprechenden Transmissionen, wobei diese Darstellung im Wesentlichen der Darstellung der 7 entspricht.
In 15 sind zwei 4-Tor Mach-Zehnder-Koppler 9, 9a hintereinander in Reihe geschaltet. Es es könnte sich ebenso um zwei Mach-Zehnder-Interferometer mit eingangsseitigen und ausgangsseitigen Y-Gabeln handeln.
Über die Heizleistung der jeweiligen Heizelemente 2 wird der Arbeitspunkt A1 des ersten Interferometers 9 vor das Minimum 11 der Transmission gelegt. In diesem Bereich ist die Abschwächung für Licht der Polarisation TE größer als für Licht der Polarisation TM.
In entsprechender Weise wird der Arbeitspunkt A2 des zweiten Interferometers 9a hinter das Minimum 11 der Transmission gelegt. Am zweiten Arbeitspunkt ist die Abschwächung für die Polarisation TE geringer als für die Polarisation TM. Durch Hintereinanderschalten der beiden Interferometer 9, 9a wird erreicht, dass die Gesamtverluste für beide Polarisationsrichtungen TE, TM in etwa gleich groß sind.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich durch das Hintereinanderschalten der beiden Interferometer 9, 9a der erzielbare Grad der Abschwächung insgesamt erhöht.
Im praktischen Einsatz ist zunächst die Transmissionskennlinie der Interferometer auszumessen. Zu jedem gewünschten Abschwächungsverhältnis lassen sich dann Arbeitspunkte A1, A2 finden, zu denen sich ein gewünschtes Abschwächungsverhältnis bei möglichst gut kompensierter Polarisationsabhängigkeit einstellen lässt.
Leicht nachteilig ist bei dieser Anordnung, dass ein höherer Leistungsverbrauch notwendig ist, um den zweiten Abschwächer 9a in einem Arbeitspunkt oberhalb des Minimums 11 der Transmission zu betreiben. Hierfür muss eine Heizleistung angelegt werden, derart, dass die Phasenverschiebung größer als π ist. Diese Nachteile werden bei der alternativen Schaltungsanordnung der 16 beseitigt. Hier sind zwei hintereinander und komplementär zueinander ausgeführte Interferometer 9, 9' vorgesehen. Bei einem komplementär ausgebildeten Interferometer 9' ist in den einen Arm eine Phasenverschiebung von π oder näherungsweise π eingearbeitet, so dass dieses Interferometer 9' im unbeheizten Zustand am oder nahe des Minimums betrieben wird.
In entsprechender Weise können auch Schalter mit mehr Eingangs- und Ausgangstoren (N×N Schalter) betrieben werden.
In sämtlichen dargestellten Ausführungsbeispielen sind die optischen Schaltungselemente bevorzugt in einem planaren optischen Schaltkreis auf einem Siliziumwaver integriert optisch ausgebildet. Die gewünschten Wellenleiterstrukturen werden dabei durch vergrabene, lichtführende Wellenleiterkerne mit einem gegenüber der Umgebung unterschiedlichen Brechungsindex bereitgestellt. Die Wellenleiterkerne weisen typischerweise einen Querschnitt von ca. 6 μm × 6 μm auf. Durch entsprechende Strukturierung bei der Herstellung können die Breite und/oder die Höhe jedoch auch vergrößert bzw. verkleinert werden. Zur Einkopplung von Licht in einen solchen Wellenleiterkern wird an der Stirnfläche des Chips mit dem planaren optischen Schaltkreis eine optische Glasfaser positioniert.
Die beschriebenen Prinzipien lassen sich jedoch ebenso in anderen Materialsystemen wie z.B. dem Materialsystem Lithiumniobat (LiNbO3) oder InGaAsP auf InP verwirklichen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur weiteren Reduktion der notwendigen Heizleistung für die Heizelemente 2 in die Wellenleiterschicht und/oder das Trägersubstrat Gräben 12 integriert, beispielsweise geätzt sind, die die Heizelemente 2 und die zu heizenden Wellenleiter von der Wärmesenke des Substrats isolieren. Solche Gräben 12 sind in der 16 schematisch dargestellt. Entsprechende Gräben zur Wärmeisolation und Reduktion der notwendigen Heizleistung können auch bei den Ausführungsbeispielen der übrigen Figuren vorgesehen sein, um die Heizleistung der Heizelektroden zu minimieren.

Claims

Optische Schaltungsanordnung mit einem ersten optischen Schaltungselement, das durch Anlegen einer elektrischen Steuerleistung zwischen mindestens einem ersten und einem zweiten Zustand verstellbar ist, und einem zweiten optischen Schaltungselement, das durch Anlegen einer elektrischen Steuerleistung zwischen mindestens einem ersten und einem zweiten Zustand verstellbar ist, wobei das erste und das zweite Schaltungselement optisch hintereinander geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltungselement (1', 8', 9') sich hinsichtlich der Abhängigkeit seiner optischen Eigenschaften von der Steuerleistung komplementär oder näherungsweise komplemetär zu dem ersten Schaltungselement (1, 8, 9) verhält.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der an den beiden Schaltungselementen (1, 1'; 8, 8'; 9, 9') anliegenden Steuerleistungen im wesentlichen konstant ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der an den beiden Schaltungselementen (1, 1'; 8, 8'; 9, 9') anliegenden Steuerleistungen geringfügig, insbesondere um maximal 20 schwankt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einem der Schaltungselemente ein Widerstand (6) elektrisch in Reihe geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Schaltungselemente (1, 1'; 8, 8'; 9, 9') jeweils ein Mach-Zehnder-Bauelement als Phasenschieber aufweisen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim komplementären Schaltungselement (1', 8', 9') der eine Arm (13', 82') des Mach-Zehnder-Bauelements ohne Anliegen einer Steuerspannung gegenüber dem anderen Arm (14', 83) einen Phasenunterschied von π aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Mach-Zehnder-Bauelement ein mit der Steuerleistung beaufschlagtes Heizelement (2, 2') zugeordnet ist, das sich auf einem Arm des Mach-Zehnder-Bauelements befindet.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungselemente jeweils Abschwächervorrichtungen (1, 1'; 9, 9') auf der Basis von Mach-Zehnder-Interferometern sind, die ein optisches Eingangssignal in Abhängigkeit von der anliegenden Steuerleistung in definierter Weise abschwächen.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungselemente jeweils Schalter (8, 8') auf der Basis von Mach-Zehnder-Kopplern mit ein oder zwei Eingangstoren (In1, In2) und zwei Ausgangstoren (Out1; Out2) sind, wobei die Schalter (8, 8') durch Anlegen einer elektrischen Steuerleistung zwischen einem cross-Durchgang und eine bar-Durchgang verstellbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangstor (In1') des zweiten, komplementären Schalters (8') mit einem Ausgangstor (Out2') des ersten Schalters (8) verbunden ist, während das andere Ausgangstor (Out1) des ersten Schalters (8) an dem zweiten Schalter (8') vorbeigeführt wird.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem Schaltungselement (7) der eine Arm (73) des Mach-Zehnder-Bauelements eine größere Breite aufweist als der andere Arm (74), und zwar in einem Maße, dass eine intrinsische polarisationsabhängige Abschwächung durch den Breitenunterschied der Arme (73, 74) kompensiert bzw. reduziert wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Arm (74) des Mach-Zehnder-Bauelements (7), dem ein mit der Steuerleistung beaufschlagtes Heizelement (2) zugeordnet ist, im Vergleich zum anderen Arm (73) eine um 5 bis 15 reduzierte Breite aufweist.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Schaltungselement (9) mit einer Steuerleistung derart beaufschlagt wird, das der Arbeitspunkt des Schaltungselements vor dem Minimum der Transmission des Schaltungselements liegt, und das andere Schaltungselement (9') mit einer Steuerleistung derart beaufschlagt wird, das der Arbeitspunkt des Schaltungselements hinter dem Minimum der Transmission des Schaltungselements liegt.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weitere Schaltungselemente aufweist, von denen jeweils zwei ebenfalls komplementär zueinander ausgebildet sind.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanodnung integriert optisch auf einem planaren optischen Schaltkreis ausgebildet ist.
Optische Schaltungsanordnung mit einem ersten optischen Schaltungselement, das durch Anlegen einer elektrischen Steuerleistung zwischen mindestens einem ersten und einem zweiten Zustand verstellbar ist, und einem zweiten optischen Schaltungselement, das durch Anlegen einer elektrischen Steuerleistung zwischen mindestens einem ersten und einem zweiten Zustand verstellbar ist, wobei das erste und das zweite Schaltungselement optisch hintereinander geschaltet sind und jeweils einen von der Steuerleistung abhängigen Arbeitspunkt minimaler Transmission aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Schaltungselement (9) mit einer Steuerleistung derart beaufschlagt wird, das der Arbeitspunkt (1) des Schaltungselements vor dem Minimum (11) der Transmission liegt, und das andere Schaltungselement (9a, 9') mit einer Steuerleistung derart beaufschlagt wird, das der Arbeitspunkt A2 des Schaltungselements hinter dem Minimum (11) der Transmission liegt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltungselement (9') sich hinsichtlich der Abhängigkeit seiner optischen Eigenschaften von der Steuerleistung komplementär oder näherungsweise komplemetär zu dem ersten Schaltungselement (9) verhält.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungselemente (9, 9a, 9') Mach-Zehnder-Bauelemente sind und jedem Mach-Zehnder-Bauelement ein mit der Steuerleistung beaufschlagtes Heizelement (2) zugeordnet ist, das sich auf einem Arm des Mach-Zehnder-Bauelements befindet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Arm des komplementären Mach-Zehnder-Bauelements (9') eine Phasenverschiebung von π oder näherungsweise π gegenüber dem anderen Arm aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung integriert optisch auf einem planaren optischen Schaltkreis ausgebildet ist und das Heizelement (2) des Mach-Zehnder-Bauelements (9, 9a, 9') durch Gräben (12) in der wellenführenden Schicht und/oder in dem Substrat des planaren optischen Schaltkreises thermisch isoliert ist.