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Die
vorliegende Erfindung betrifft die optische Signalübertragung
und spezifischer verbesserte Wellenleitervorrichtungen, die bei
Anwendungen nützlich
sind, welche eine Modulation, Dämpfung,
Steuerung, Schaltvorgänge
von optischen Signalen erfordern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet eine verbesserte Wellenleitervorrichtung eine
in vorteilhafter Weise ausgelegte optisch funktionelle Auskleidungs- oder Plattierungszone
(cladding region) und einen zugeordneten Modulations-Controller, um Konstruktionsherausforderungen
bei Anwendungen zu erfüllen,
die eine Modulation, Dämpfung,
Steuerung, Schaltvorgänge
usw. von optischen Signalen erfordern. Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein elektrooptischer Modulator geschaffen,
der einen optischen Wellenleiter, eine Auskleidung oder Plattierung
aufweist, welche an den optischen Wellenleiter gekoppelt ist, wobei
eine optisch funktionelle Auskleidungszone wenigstens einen Abschnitt
der Auskleidung oder Plattierung festlegt, und wobei ein Modulations-Controller
so konfiguriert ist, um ein Modulations-Steuersignal zu der optisch
funktionellen Auskleidungszone zu liefern. Die optisch funktionelle
Auskleidungszone oder Plattierungszone definiert einen Brechungsindex,
der so konfiguriert ist, daß er
im Ansprechen auf das Modulations-Steuersignal variiert, welches
an die optisch funktionelle Zone angelegt wird. Der Brechungsindex
der optisch funktionellen Auskleidungszone ist niedriger als ein
Brechungsindex des optischen Wellenleiters bei einer Betriebswellenlänge und
einer Betriebstemperatur der Vorrichtung. Der Modulations-Controller
umfaßt
eine Signalelektrode und eine Erdungselektrode, die so konfiguriert
sind, um ein elektrisches Feld in einem Abschnitt der optisch funktionellen
Zone zu generieren, die einem zweiten optischen Wellenleiterarm
zugeordnet ist, und zwar im Ansprechen auf ein Steuersignal, welches
an die Signalelektrode angelegt wird. Der Modulations-Controller
umfaßt
eine Signalelektrode und eine Erdungselektrode und ist so konfiguriert,
um ein elektrisches Feld in der optisch funktionellen Zone im Ansprechen
auf ein Vorspann-Modulations-HF-Steuersignal zu erzeugen, welches
an die Signalelektrode angelegt wird. Der Modulations-Controller
ist so konfiguriert, daß er
eine Gleichspannungs-Vorspannung von einem Steuersignaleingang isoliert
und auch von einem Steuersignalanschluß der Signalelektrode der Vorrichtung.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine optische Vorrichtung geschaffen,
die eine optische Übertragungsleitung
umfaßt,
ferner eine Vielzahl an Addierkanälen und Abfallkanälen, ein
Array von elektrooptischen Modulatoren, ein Array von elektrooptischen
Schaltern, und eine „add" selektive Wellenlängenvorrichtung
und eine „drop" selektive Wellenlängenvorrichtung.
Die optische Übertragungsleitung
ist so konfiguriert, daß sie
eine Vielzahl an optischen Signalen λ1, λ2, λn führt. Die
add-Kanäle
sind über
das Array von elektrooptischen Modulatoren, das Array von elektrooptischen
Schaltern und über
die „add" selektive Wellenlängenvorrichtung
gekoppelt. Die Vielzahl der Abfallkanäle oder drop-Kanäle sind
an die optische Übertragungsleitung über das
Array der elektrooptischen Schalter und die „drop" selektive Wellenlängenvorrichtung gekoppelt.
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Das
Array der elektrooptischen Schalter ist so konfiguriert, um von
der optischen Übertragungsleitung ein
Signal mit einer ausgewählten
Wellenlänge λ; abfallen
zu lassen, während
zu der optischen Übertragungsleitung
ein entsprechendes Signal der ausgewählten Wellenlänge λ; von einem
der elektrooptischen Modulatoren hinzuaddiert wird. Jeder der elektrooptischen
Modulatoren umfaßt
einen optischen Wellenleiter, eine Auskleidung oder Plattierung,
die optisch an den optischen Wellenleiter gekoppelt ist, eine optisch
funktionelle Plattierungszone, die in wenigstens einem Abschnitt
der Auskleidung festgelegt ist, und einen Modulations-Controller,
der so konfiguriert ist, um ein Modulations-Steuersignal zu der
optisch funktionellen Auskleidungszone zu liefern. Die optisch funktionelle
Auskleidungszone definiert einen Brechungsindex, der so konfigu riert
ist, daß er
im Ansprechen auf das Modulations-Steuersignal variiert, welches
an die optisch funktionelle Zone angelegt wird.
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Gemäß einer
noch anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein elektrooptisches Modulator-Array
geschaffen, welches ein Array von optischen Wellenleitern oder Hohlleitern,
jeweilige Paare der optischen Wellenleiterarme, eine optisch funktionelle
Auskleidungszone und einen Modulations-Controller mit einem Array
von Signalelektroden und mit verwendeten Erdungselektroden umfaßt. Das
Array der optischen Wellenleiter oder Hohlleiter ist so konfiguriert,
daß ein
sich ausbreitendes optisches Signal in jeweilige Paare der optischen
Wellenleiterarme aufgespalten wird, und die optischen Signale dann
wieder verbunden werden. Die optisch funktionelle Auskleidungszone
ist als wenigstens ein Abschnitt der Auskleidung oder Plattierung
festgelegt, die optisch an das Array der optischen Wellenleiter
oder Hohlleiter gekoppelt ist, und ist so konfiguriert, daß wenigstens
einer der optischen Wellenleiterarme von jedem Paar der optischen
Wellenleiterarme durch die optisch funktionelle Auskleidungszone
verläuft.
Der Modulations-Controller ist so konfiguriert, um ein Modulations-Steuersignal
zu der optisch funktionellen Auskleidungszone vorzusehen. Das Array
der Signalelektroden ist dazu bestimmt, um einige der optischen
Wellenleiterarme anzugeben, die durch die optisch funktionelle Zone
verlaufen. Die Signal- und Erdungs-Elektroden sind so konfiguriert, um
die jeweiligen elektrischen Felder in der optisch funktionellen
Auskleidungszone im Ansprechen auf die jeweiligen Steuersignale
zu erzeugen, die an unterschiedliche Elektroden der Signal-Elektroden
angelegt werden.
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Die
Signal- und Erdungs-Elektroden, die optisch funktionelle Auskleidungszone
und das Array der optischen Wellenleiter sind so konfiguriert, daß die jeweiligen
elektrischen Felder, die in den optisch funktionellen Auskleidungszonen
erzeugt werden, die jeweiligen Brechungsindices ändern, die individuellen Armen
der optischen Wellenleiterarme zugeordnet sind, welche durch die
optisch funktionelle Zone verlaufen.
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Es
ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in Verbindung
mit optischen Wellenleitervorrichtungen Verbesserungen zu realisieren,
welche bei Anwendun gen nützlich
sind, die eine Modulaton und Schaltvorgänge von optischen Signalen
erfordern. Andere Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich
anhand der Beschreibung der hier realisierten Erfindung.
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Die
folgende detaillierte Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann am besten in Verbindung mit den
anhängenden
Zeichnungen verstanden werden, wobei ähnliche Strukturen oder Konstruktionen
mit ähnlichen
Bezugszeichen bezeichnet sind und in welchen zeigen:
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1 eine
Darstellung eines elektrooptischen Modulators gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2A – 2C schematische
Darstellungen, gemäß einer
Querschnitts-Perspektive
dargestellt, und zwar von Wellenleitervorrichtungen gemäß einiger
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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3 – 5 grafische
Darstellungen der Art, in welcher die Ausgangsintensität als eine
Funktion der Größe eines
Steuersignals variiert, welches an eine Wellenleitervorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung angelegt wird;
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6 und 7 die
Intensitätsverteilung
eines optischen Signals relativ zu den Wellenleiterabmessungen einer
Wellenleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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8 ein
optisches Netzwerk, welches eine Wellenleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält;
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9 eine
schematische Darstellung von elektrooptischen Modulatoren gemäß der vorliegenden
Erfindung, die mit einem Wellenleiter-Array-Gitter integriert sind;
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10 eine
schematische Darstellung von elektrooptischen Modulatoren gemäß der vorliegenden
Erfindung, die mit einem Ausgang eines Wellenleiter-Array-Gitters
integriert sind;
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11 eine
grafische Darstellung der An, in welcher die Eigenschaften der optisch
funktionellen Zone gemäß der vorliegenden
Erfindung und die Betriebsparameter der Vorrichtungen, welche die
Zonen verwenden, optimiert werden können;
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12 eine
schematische Darstellung einer integrierten optischen Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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13 und 14 schematische
Darstellungen von integrierten elektrooptischen Modulator-Arrays gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Um
zu Beginn auf 1 einzugehen, so ist ein elektrooptischer
Modulator 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht. Spezifischer ausgedrückt umfaßt der elektrooptische Modulator 10 einen
optischen Wellenleiter oder Hohlleiter 20 und eine zugeordnete
Auskleidung (cladding) 30, die optisch an den optischen Wellenleiter 20 gekoppelt
ist. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist der Wellenleiter 20 so
konfiguriert, daß eine
optische Signal-Aufteilungszone 12 nahe einer Eingangsseite
des elektrooptischen Modulators 10 festgelegt ist und eine
optische Signal-Verbindungszone 14 nahe
einer Ausgangsseite des elektrooptischen Modulators 10 festgelegt
ist. Die Aufteilungszone 12 definiert erste und zweite
optische Wellenleiterarme 13, 15.
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Die
Auskleidung 30 umfaßt
eine optisch funktionelle Zone 35, die zwischen den optischen
Signalaufspalt- und Verbindungs-Zonen 12, 14 angeordnet
ist. Die optisch funktionelle Zone 35, deren Eigenschaften und
Kennlinien weiter unten mehr in Einzelheiten beschrieben werden,
definiert einen Brechungsindex, der niedriger ist als der Brechungsindex
des optischen Wellenleiters 20, und zwar bei der Betriebstemperatur
des Modulators 10. Auf diese Weise bleibt ein wesentlicher
Teil des Lichtes, welches in den Wellenleiter 20 eingeleitet
wird, entlang einer optischen Achse der Vorrichtung eingeschlossen
oder beschränkt,
und zwar innerhalb des Wellenleiters, und ein wesentlicher Abschnitt
des Lichtes kann sich in der optisch funktionellen Zone 35 der
Auskleidung 30 ausbreiten. Es sei darauf hingewiesen, daß die Auskleidung 30 und
die optisch funktionelle Zone 35 aus dem gleichen Material
gebildet sein können.
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Zum
Zwecke der Definition und Beschreibung der vorliegenden Erfindung
sei darauf hingewiesen, daß die
jeweiligen „wesentlichen" Abschnitte des Lichtes
solche Abschnitte bedeuten und umfassen, die ausreichend signifikant
sind, um eine Steuerung eines optischen Ausgangssignals der Vorrichtung
durch Variieren des Brechungsindex der optisch funktionellen Zone
der Auskleidung zu ermöglichen.
Es sei auch darauf hingewiesen, daß zum Zwecke der Definition
und Beschreibung der vorliegenden Erfindung eine Bezugnahme auf
relative Werte der Brechungsindices der optisch funktionellen Zone
und des optischen Wellenleiters vorgenommen wird mit der inherenten
Annahme, daß die
relativen Werte bei der Betriebswellenlänge und Betriebstemperatur
der Vorrichtung genommen sind, wenn dies nicht anderweitig erwähnt wird.
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Der
Brechungsindex der optisch funktionellen Zone 35 variiert
im Ansprechen auf ein Steuersignal, welches an die optisch funktionelle
Zone 35 angelegt wird. Die Natur des Steuersignals hängt von
der Natur der Vorrichtung ab, in welcher die vorliegende Erfindung
angewendet wird.
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Bei
der veranschaulichten Ausführungsform
besteht das Steuersignal aus einem elektrischen Modulationssignal
in der Form von beispielsweise einem HF-Elektrofeld E, welches über einer
Signalelektrode 22 und einer Erdungselektrode 24 erzeugt
wird. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind die Signalelektrode 22 und
die Erdungselektrode 24 aus einer Kupferplatte 26 gebildet,
die aus Tonerde oder einem anderen geeigneten Material hergestellt
ist, und die Signalelektrode enthält einen Steuersignal-Eingangsanschluß 28A und
einen Steuersignal-Anschluß 28B,
die so konfiguriert sind, um eine bequeme Verbindung zu einer geeigneten
Quelle zum Erzeugen eines Steuersignals zu realisieren. Zum Zwecke
der Definition und Beschreibung der vorliegenden Erfindung sei erwähnt, daß die HF-Steuersignale
sich in einem Bereich von 10 kHz bis über 300 GHz erstrecken.
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Die
optisch funktionelle Zone 35 der Auskleidung 30 spricht
auf die Intensität
und die Orientierung des elektrischen Feldes E an. Wenn das Steuersignal
ein elektrisches Feld umfaßt,
sind die Signalelektrode 22 und die Erdungselektrode 24 so
konfiguriert, um ein elektrisches Feld in der optisch funktionellen
Zone 35 des zweiten optischen Wellenleiterarmes 15 zu
erzeugen, wobei der Brechungsindex der optisch funktionellen Zone 35 des
zweiten optischen Wellenleiterarmes 15 geändert wird.
Die Ausgangsgröße des elektrooptischen
Modulators 10 variiert als Funktion des Signals, welches
an die Signalelektrode 22 angelegt wird, da das Licht in
dem zweiten optischen Wellenleiterarm 15 phasenmoduliert
wird, und zwar aufgrund der Änderung
in dem Brechungsindex. Wie noch weiter unten mehr in Einzelheiten
beschrieben wird, kann die Art, mit welcher der Brechungsindex geändert wird,
durch den Kerr-Effekt, den Pockels-Effekt oder eine Kombination
aus den zwei elektrooptischen Effekten gesteuert sein. Wenn die
optischen Signale in den jeweiligen Armen wieder kombiniert werden,
erfolgt in Verbindung mit den Signalen in jedem Arm eine konstruktive
oder destruktive Interferenz. Diese Interferenz und das Steuersignal,
welches den elektrooptischen Effekt erzeugt, können dazu verwendet werden,
um eine optische Intensitätsmodulation
der Ausgangsgröße der Vorrichtung
zu erzeugen.
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Die
Signalelektrode
22 und die Erdungselektrode
24 sind
so konfiguriert, um eine wandernde Wellenelektrode zu definieren.
In einer wandernden Wellenelektrode breitet sich das HF-Signal vom
Eingangsende zum Ausgangsende entlang der optischen Wellenfront
aus. Daher betritt das Steuersignal die Schaltung, die in
1 gezeigt
ist, über
den Steuersignal-Eingangsanschluß
28A und breitet
sich zu dem Steuersignalanschluß
28B aus.
Die Impedanz der Elektrodenkonfiguration ist in bevorzugter Weise
an diejenige der Signalquelle angepaßt, in typischer Weise 50 Ohm.
Der erste Blockierkondensator C
1 erlaubt
das Ausbreiten eines HF-Steuersignals unter Realisie rung eines Schutzes
der HF-Quelle gegenüber
einer hohen Gleichstrom-Vorspannung, die durch die Vorspannungs-Spannungsquelle
+V
bias unterstützt wird. Die Rolle der Gleichstrom- oder
Gleichspannungs-Vorspannung wird weiter unten mehr in Einzelheiten
beschrieben. Der Abschlußwiderstand
wird in typischer Weise über
die Signalelektrode
22 und die Erdungselektrode
24 bei
dem Steuersignalanschluß
28B vorgesehen.
Der Wert des Abschlußwiderstandes
kann so ausgewählt
werden, daß er
an die Impedanz Z der wandernden Wellenelektrodenkonfiguration angepaßt ist,
die in einer Vielzahl an Arten bestimmt werden kann, inclusive der
folgenden Formel:
worin ν
Ph der
Phasengeschwindigkeit der wandernden Welle entspricht und C der
Kapazität
pro Längeneinheit der
Wanderwellenstruktur entspricht. Ein zweiter Blockierkondensator
C
2 kann in Reihe vor den Steuersignalanschluß
28B placiert
werden, um die Vorspannung +V
bias von dem
Abschlußwiderstand
fernzuhalten. Bei der oben angegebenen Gleichung entspricht die
Kapazität
C nicht dem Wert von einem der Blockierkondensatoren C
1,
C
2. Zur Verdeutlichung, jedoch nicht im
Sinne einer Einschränkung,
liegt bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfingung die Impedanz der Wanderwellen-Elektrodenkonfiguration
bei etwa 50 Ohm, die Weite oder Breite der Signalelektrode/Erdungselektrode-Bandleitung
beträgt
3 mm, die Dicke der Schaltungsplatine liegt bei etwa 1,5 mm, die
Dieelektrizitätskonstante
der Platine beträgt
etwa 4,2, die jeweiligen Werte der Kondensatoren C
1,
C
2, liegt bei etwa 100pF bis etwa 1000pF,
und der Widerstand des Abschlußwiderstandes
liegt bei etwa 50 Ohm.
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2A repräsentiert
eine schematische Darstellung einer geeigneten Elektrodenkonfiguration
und des resultierenden elektrischen Feldes E. Wie auch in 2A veranschaulicht
ist, sind eine zusätzliche
Tonerdeschicht 27 und ein Substrat 29, z.B. aus
Silizium vorgesehen. Die Signalelektrode 22 und die Erdungselektrode 24 sind
durch einen in Breitenrichtung wandernden Wellenelektrodenspalt
g getrennt. Der zweite optische Wellenleiterarm 15 verläuft durch
die optisch funktionelle Zone im wesentlichen in Ausrichtung zu
dem wandernden Wellenelektrodenspalt g. Der zweite optische Wellenleiterarm 15 ist
gegenüber
der gemeinsamen Ebene versetzt, die durch die Signalelektrode 22 und
die Erdungselektrode 24 belegt wird, und zwar um einen Abstand
h. Die Signalelektrode 22 definiert eine Breiten- oder
Weitenabmessung w, und die Erdungselektrode 24 definiert
eine Weitenabmessung s. Im allgemeinen werden die Werte für die Abmessungen
g, w, und s so ausgewählt,
um etwa 50 Ohm einer Impedanz zwischen der Signalelektrode 22 und
der Erdungselektrode 24 zu erreichen, was für die Verwendung
mit einer Standard-HF-Ausrüstung
geeignet ist. Wenn beispielsweise s bei etwa 500μm liegt, führt ein Verhältnis w/g
von etwa 9,3 zu ca. 50 Ohm einer Impedanz. Spezifischer ausgedrückt kann
w auf etwa 140μm
eingestellt werden und g kann auf etwa 15μm eingestellt werden.
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Die
Werte für
die Abmaße
h, g, w und s können
auch so konfiguriert werden, um eine geeignete elektrische Feldorientierung
und Größe zu liefern
und um eine geeignete optische Signalausbreitung entlang dem Wellenleiter 15 aufrechtzuerhalten.
Gemäß bestimmter
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung hat h einen Wert von 8μm oder liegt
zwischen etwa 5μm
und etwa 11μm
(wobei g bei etwas 15μm
liegt). Geringere Werte führen
zu einem größeren optischen
Verlust, und höhere
Werte reduzieren die Wirkung des elektrischen Feldes. In 2C ist
der Wert von h effektiv Null, da die Signalelektrode 22 und
die Erdungselektrode 24 in der gleichen eingegrabenen Ebene
der Wellenleiter 13, 15 positioniert sind. Der
zweite optische Wellenleiterarm 15 verläuft durch die optisch funktionelle
Zone im wesentlichen ausgerichtet mit dem wanderndem Wellenelektrodenspalt
g. Bei einigen Ausführungsformen
kann der Spalt zwischen den Elektroden erhöht werden, und zwar beispielsweise
auf ca. 30μm,
während
der Wert von w etwa der gleiche bleiben kann und der Wert von s
auf etwa 220μm
reduziert werden kann.
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Um
dies mehr allgemein auszudrücken,
können
gemäß der Ausführungsform
nach 2A der Wellenleiter, die Signalelektrode und die
Erdungselektrode so konfiguriert sein, daß: der Spalt g in der Breitenrichtung
zwischen etwa 2μm
und etwa 50μm
liegt; der Abstand h zwischen etwa 0μm und etwa 50μm liegt,
die Breitenabmessung w zwischen etwa 5μm und etwa 500μm liegt;
und die Breitenabmessung s zwischen etwa 5μm und etwa 2000μm liegt.
Spezieller gesagt liegt bei einigen Ausführungsformen der Spalt g in
der Breitenrichtung zwischen etwa 10 μm und etwa 20 μm ; der Abstand
h liegt zwischen etwa 5μm
und etwa 11μm;
die Breitenabmessung w liegt zwischen etwa 10μm und etwa 200μm; und die
Breitenabmessung s liegt zwischen etwa 10μm und etwa 500μm.
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Gemäß der Ausführungsform
von 2C können
der Wellenleiter, die Signalelektrode und die Erdungselektrode so
konfiguriert sein, daß:
der Spalt g in der Breiten- oder
Weitenrichtung zwischen etwa 10μm und
50μm liegt;
der Abstand h bei etwa Null liegt; die Weiten- oder Breitenabmessung
w zwischen etwa 5μm und
etwa 500μm
liegt; und die Weiten- oder Breitenabmessung s zwischen etwa 5μm und etwa
2000μm liegt. Spezieller
ausgedrückt
liegt bei einigen Ausführungsformen
der Spalt g in der Breiterrichtung zwischen etwa 15μm und etwa
40μm; der
Abstand h beträgt
etwa Null; die Abmessung w in der Breitenrichtung liegt zwischen etwa
10μm und
etwa 200μm;
und die Abmessung s in der Breitenrichtung liegt zwischen etwa 10μm und etwa 300μm.
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Es
sei darauf hingewiesen, daß eine
Vielzahl an zusätzlichen
Elektrodenkonfigurationen zum Erzeugen eines elektrischen Feldes
in der optisch funktionellen Zone 35 der vorliegenden Erfindung
geeignet sein können.
In Verbindung mit 2B sei erwähnt, daß die Erdungselektrode 24 eingegraben
sein kann, d.h. gegenüber
der zusätzlichen
Tonerdeschicht 27 positioniert sein kann, während die
Signalelektrode 22 gegenüber der Abdeckungsplatte 26 positioniert
sein kann. Die Wellenleiter-Abstandshalter 16, die aus
Tonerde oder einem anderen geeigneten Material gebildet sind, können ebenfalls
vorgesehen sein, um die Wellenleiter 13, 15 zwischen
der Erdungselektrode 24 und und der Signalelektrode 22 zu
positionieren.
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Ungeachtet
der spezifischen Elektrodenkonfiguration, die bei der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, können
die optisch funktionellen Zonen 35 der vorliegenden Erfindung
gut dafür
geeignet sein, um auf das Anlegen eines HF-Steuersignals anzusprechen.
Spezifischer ausgedrückt,
wenn das Material der optisch funktionellen Zone 35 durch
einen hohen Grad einer orientierungsmäßigen Mobilität gekennzeichnet
ist und dazu befähigt
ist, zwischen einem im wesentlichen orientierten Zustand und einem
im wesentlichen isotropen Zustand bei einer Frequenz des angelegten
HF-Steuersignals überzuwechseln,
kann der elektrooptische Modulator 10 so konfiguriert sein,
um ein HF-moduliertes optisches Ausgangssignal zu erzeugen. Es sei
hervorgehoben, daß beispielswseise
ein Kerr-Effekt-Medium, welches durch eine Kerr-Konstante von wenigstens etwa
3×10-14m/V2 gekennzeichnet
ist, eine Signalmodulation über
1 GHz hinaus liefern kann. Bei den Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung, bei denen das Kerr-Effekt-Medium eine ausgeprägte Rolle
bei der Signalmodulation spielt, kann dieses durch eine Kerr-Konstante
von etwa 3×10-12m/V2 gekennzeichnet
sein.
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Die
Einzelheiten, vermittels welcher die Schwankung ode Variation des
Brechungsindex der optisch funktionellen Zone 35 des zweiten
Wellenleiterarmes 15 relativ zu demjenigen des ersten Wellenleiterarmes 13 eine
Schwankung oder Variation in der Ausgangsgröße des Modulators 10 erzeugen,
liegen jenseits des Rahmens der vorliegenden Erfindung und können unmittelbar
aus einer Literatur erfahren werden, die Mach-Zehnder-Interferometer
und andere damit in Beziehung stehende Vorrichtungen beschreibt.
Gemäß den 3 und 4 können viele
geeignete Auskleidungsmedien gemäß der vorliegenden
Erfindung gekennzeichnet sein durch eine An, in welcher sich deren
Brechungsindex ändert,
und zwar in Relation zu der Größe des daran
angelegten Steuersignals. 3 veranschaulicht
die Art und Weise, in welcher die jeweiligen Intensitäten der
Ausgangssignale an einem ersten und einem zweiten Ausgangsport eines
Zwei-Pon-Mach-Zehnder-Interferometers
als Funktion der Größe eines
Steuersignals (Spannung) variieren, welches an die optisch funktionellen
Zonen des Interferometers angelegt wird. Das in 3 gezeigte
Ansprechverhalten repräsentiert die
zwei Ausgangskanäle
eines Mach-Zehnder-Interferometers, bei dem die funktionelle Auskleidung
auf ein Spannungssteuersignal vermittels des Pockels-Effektes – einem
elektrooptischen Effekt, bei dem das Anlegen eines elektrischen
Feldes eine Doppelbrechung erzeugt, die in dem angelegten Feld linear
ist – anspricht.
Der Pockels-Effekt kann lediglich in anisotropen Medien auftreten.
Für eine
funktionelle Polymer-Auskleidung wird diese Anisotropie, die für den Pockels-Effekt
benötigt
wird, in typischer Weise über
die elektrische Feld-Abfrage
unter Aufruf der Auskleidung eingeführt.
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Im
Gegensatz dazu sind ungepolte, im wesentlichen isotrope polymere
Auskleidungen für
die Verwendung im Einklang mit vielen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung geeignet, da sie keinen Pockels-Effekt liefern können, so
daß das
dominante elektrooptische Ansprechverhalten aus dem Kerr-Effekt
resultiert. Der Kerr-Effekt wird als ein elektrooptischer Effekt
definiert, bei dem das Anlegen eines elektrischen Feldes eine Doppelbrechung
erzeugt, die mit einem Quadrat der Größe des angelegten Feldes oder
gemäß einem
anderen Steuersignal variiert. Beispielsweise resultiert die Doppelbrechung,
die in 4 veranschaulicht ist, aus der Verwendung eines
Polymers in der optisch funktionellen Zone des Interferometers,
welches einen Brechungsindex festlegt, der an eine Funktion angenähert ist,
die mit dem Quadrat der Steuersignalgröße variiert. Spezifischer ausgedrückt hat
die Funktion, die durch den Brechungsindex des Auskleidungsmediums
der vorliegenden Erfindung angenähert
wird, die Form der folgenden Gleichung: Δn = λKM2 worin Δn eine Änderung im Brechungsindex wiedergibt, λ die Wellenlänge des
Lichtes bedeutet, welches sich in der Auskleidung ausbreitet, K
eine Konstante ist und M die Steuersignalgröße wiedergibt. In dem Falle
von Kerr-Effekt-Auskleidungsmedien repräsentiert K die Kerr-Konstante
des Kerr-Effekt-Mediums und M repräsentiert die Größe E des
elektrischen Feldes, welches an das Medium angelegt wird.
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Gemäß 3 induziert
das Anlegen einer Steuerspannung V an die lineare elektrooptische
Polymerauskleidung eine Phasenverschiebung ΔΦ in dem optischen Signal, welches
sich durch die optisch funktionelle Zone ausbreitet. Das Ansprechverhalten
wird hier als ein „lineares" Ansprechverhalten
beschrieben, da, wie klar in 3 veranschaulicht
ist, sukzessiv gleiche Phasenverschiebungen ΔΦ beispielsweise von 180° induziert
werden, und zwar durch aufeinanderfolgend gleiche Erhöhungen in der
Steuerspannung V (I ≈ sin2Φ, worin Φ = AV ist).
Gemäß 4 umfaßt das Anlegen
einer Steuerspannung V an eine elektrooptische Polymer-Auskleidung
gemäß der vorliegenden
Erfindung auch sukzessive Phasenverschiebungen ΔΦ in dem optischen Signal, wobei
jedoch sukzessive Phasenverschiebungen mit gleichem Wert mit progressiv
kleineren Erhöhungen
in der Steuerspannung V induziert werden (I ≈ sin2Φ, worin Φ = BV2 ist). Somit nimmt im Falle der sukzessiven
Phasenverschiebungen ΔΦ von 180° die Größe der sukzessiven
Steuerspannungsinkremente Vπ, die zum Induzieren der
sukzessiven 180° Phasenverschiebungen
erforderlich sind, ab, und zwar mit Zunahme der Größe der Steuerspannung
V.
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5 repräsentiert
eine detailliertere Darstellung der Abnahme in den sukzessiven Steuerspannungsinkrementen
Vπ mit
Zunahmen der Steuerspannung V. Spezifischer ausgedrückt zeigt
der Graph in 3, daß ca. 340 Volt benötigt werden,
um ein Mach-Zehnder-Interferometer über eine
180° Phasenverschiebung
zu treiben. Die nächste
180° Phasenverschiebung
tritt bei etwa 520 Volt auf, wird jedoch lediglich dadurch erreicht,
indem die Treiberspannung um etwa 180 Volt erhöht wird (die Differenz zwischen
520 Volt und 340 Volt). Eine dritte 180° Phasenverschiebung tritt bei
etwa 610 Volt auf, einer Erhöhung
von lediglich etwa 90 Volt. Eine einfache Extrapolierung führt zu dem
Vorschlag, daß bei
einer Vorspannung von etwa 3000 Volt, eine Treiberspannung VΠ von
etwa 4 Volt erreicht werden kann. Es sei hervorgehoben, daß die Verbesserungen
in dem Polymer-Auskleidungsmedium und die Veredelung der Elektrodenkonfiguration,
die für
die Steuerelektroden verwendet wird, zu einer Vorrichtung führen können, bei
der eine 180° Phasenverschiebung
durch Treiberspannungen von weniger als 5 Volt mit einer Vorspannung
von etwa 1000 Volt erreicht werden kann.
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Um
die Betriebseigenschaften, die in den
3 –
5 veranschaulicht
sind, zu erklären,
wurde zu Beginn angeführt,
daß die
Phasenänderung,
die in einem Kerr-Medium
der Länge
L induziert wird, und zwar bei Anlegung eines Feldes E, gegeben
ist als
ΔΦ = 2πKLE2 , worin K der Kerr-Koeffizient in m/V
2 ist. Der quadratische Feldausdruck E
2 zeigt die quadratische Abhängigkeit
von dem Feld E. Bei dem Kerr-Effekt induziert das elektrische Feld
eine optische Anisotropie entweder durch eine molekulare Reorientierung
oder Änderung
der elektronischen Struktur des Mediums. In einem statischen Feld-Grenzbereich kann
das Kerr-Ansprechverhalten eines verdünnten Gases wie folgt ausgedrückt werden:
worin μ, α, β, γ das molekulare
Dipol-Moment, Polarisierbarkeit bzw. die erste und die zweite Hyperpolarisierfähigkeit
angeben. Die ersten zwei Ausdrücke
sind der Wiederverteilung der elektronischen Struktur der Moleküle zugeordnet,
während
der dritte und der vierte Ausdruck die Reorientierung der Chromophoren
involviert. Für
reine optische Felder tragen lediglich der erste und der zweite
Ausdruck bei. Im Falle von kleine HF-Feldern, die mit einer großen Gleichspannungs-Vorspannung
kombiniert werden, nimmt der Beitrag des dritten Ausdruckes ab,
während
die chromophore Orientierung effektiv durch die HF-Oszillationen
unverändert
bleibt. Basierend auf dieser Erläuterung
kann der quadratische Feldausdruck erweitert werden, und es kann
der HF-Quadratausdruck weggelassen werden, da das HF-Feld sehr viel
kleiner ist als das Vorspannfeld, und man erhält so:
ΔΦ = 2πKL(E2DC + 2EDCERF), worin E
DC das
Gleichspannungsfeld ist, welches als ein Ergebnis der Anlage einer
Vorspannung über
den Elektrodenspalt erzeugt wird, und worin E
RF das
elektrische Feld ist, welches durch das HF (RF)-Modulationssignal
erzeugt wird.
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Wie
oben erläutert
ist, unterscheidet sich das Kerr-Ansprechverhalten für das reine
Gleichstrom-Feld von demjenigen eines kombinierten Gleichstrom-
und Wechselstromfeldes. Dies wird hier unter Verwendung von zwei
bestimmten Kerr-Werten beschrieben, und zwar für zwei Frequenzregime, wodurch
man den folgenden Ausdruck für
die Phasenänderung
in dem Wellenleiter erhält: ΔΦ = 2πLKDCE2 DC +
4πLKRFEDCERF
-
Es
folgt, daß das
Anlegen einer kombinierten Gleichspannung und HF-Spannung zu einem
Ansprechverhalten führt,
welches eine statische Komponente enthält und eine Komponente enthält bei der
gleichen Frequenz wie derjenigen des HF-Feldes. Es gibt auch eine
Komponente des Ansprechverhaltens, die proportional zum Quadrat
des HF-Feldes ist.
Da das HF-Feld allgemein kleiner ist als das Gleichspannungsfeld,
kann dieser Ausdruck vernachlässigt
werden. Die Prüfung
des Ansprechverhaltens der Vorrichtungen hat gezeigt, daß dieser
Beitrag kleiner ist als die Auflösung
der Messungen.
-
Viele
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ziehen einen Vorteil aus der Verwendung
eines Steuersignals, welches eine im wesentlichen konstante Gleichspannungs-Vorspannungskomponente
aufweist und eine im wesentlichen variable HF-Treiberkomponente
enthält.
Die Vorspannungskomponente wird in typischer Weise so ausgewählt, um
eine Größe eines
Ansprechens festzulegen, ausreichend, um eine Grundsteuerung des
Brechungsindex der optisch funktionellen Zone zu ermöglichen,
und zwar durch Variieren der Treiberkomponente. Es sei hervorgehoben,
daß bei
einigen Anwendungen die Vorspannungskomponente wenigstens um eine
Größenordnung
größer ist
als die Treiberkomponente. Bei noch weiteren Anwendungen, speziell bei
solchen, bei denen ein Modulationsausgangssignal gewünscht wird,
enthält
die Vorspannungskomponente eine Gleichstromspannung, und die Treiberkomponente
umfaßt
ein Wechselstrom-Treibersignal. Ungeachtet dessen, ob eine getrennte
Vorspannungsspannung oder ein vorspannendes Steuersignal als Einrichtung
zum Steuern einer optisch funktionellen Zone gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, ergeben sich klare Vorteile im Vorsehen eines Controllers,
der so konfiguriert ist, um Steuersignale zu liefern, die dafür erforderlich
sind, um die Wellenleitervorrichtungen zu betreiben, welche die
optisch funktionelle Zone enthalten.
-
Wie
oben dargelegt wurde, sind ungepolte, im wesentlichen isotrope polymere
Auskleidungsmedien für
die Verwendung bei vielen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sehr geeignet. Es wird jedoch darauf
hingewiesen, daß gepolte,
im wesentlichen anisotrope polymere Auskleidungsmedien den Pockels-Effekt
aufweisen und ebenfalls für
die Verwendung in vielen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Beispielsweise bei Anwendungen,
bei denen die Betriebstemperatur zu niedrig ist, damit das optisch
funktionelle Material den Kerr-Effekt aufweist, kann das Material
gepolt werden und kann als Gleichstrom-Vorspannung-unterstützte Pockels-Vorrichtung
betrieben werden.
-
Die
Kerr-Effekt-Auskleidungsmedien gemäß der vorliegenden Erfindung
sollten fähig
sein, einen Übergang
zu realisieren, und zwar in passiver Form von einem im wesentlichen
orientierten Zustand zu einem im wesentlichen isotropen Zustand,
speziell dort, wo deren Verwendung in einer optisch funktionellen
Zone einen aktiven Übergang
zu einem im wesentlichen orientierten Zustand involviert. Als ein
Ergebnis umfaßt
die vorliegende Erfindung Auskleidungsmedien mit einer polymeren/chromophoren
Mischung, die gekennzeichnet ist durch einen Grad an chromophorer
Mobilität,
die ausreichend ist, um die optisch funktionelle Zone zu veranlassen,
passiv von einem im wesentlichen orientierten Zustand in einen im
wesentlichen isotropen Zustand überzuwechseln,
und zwar typischerweise in weniger als etwa einer Sekunde, und noch
bevorzugter in weniger als einer Millisekunde. Zusätzlich sollte
dort, wo ein ungepoltes, im wesentlichen isotropes polymeres Auskleidungsmedium
verwendet wird, der Grad an chromophorer Mobilität ausreichend bemessen sein,
um Übergänge von
einem im wesentlichen isotropen Zustand in einen im wesentlichen
orientierten Zustand bei Anlegung eines geeigneten Steuersignals
zu erlauben.
-
Die
physikalische Stabilität
des Auskleidungsmediums muß ebenfalls
in Betracht gezogen werden. Als ein Ergebnis kann festgehalten werden,
daß die
Auskleidungsmedien gemäß der vorliegenden
Erfindung mit akzeptablen Graden einer chromophoren Mobilität und physikalischen
Stabilität
ausgestattet sein können,
und zwar entweder durch Inkorporieren eines Plastifizierungsagens
in das Auskleidungsmedium oder durch Sicherstellen, daß die effektive
Glasübergangstemperatur
des Auskleidungsmediums geringer liegt als die Betriebstemperatur
der Vorrichtung. Die Auskleidungsmedien, die durch effektive Glasübergangstemperaturen
Tg unterhalb von 120°C gekennzeichnet sind und sogar
herab bis 20°C
gekennzeichnet sind oder noch darunter, werden durch die vorliegende
Erfindung besonders empfohlen. Wie für Fachleute hervorgeht, welche
die vorliegende Erfindung praktizieren, eliminieren Auskleidungsmedien
mit effektiven Glasübergangstemperaturen Tg in der Nähe der Raumtemperatur oder
unterhalb der Raumtemperatur oder geringfügig über der Raumtemperatur (z.B.
25°C) Konstruktionseinschränkungen,
die mit der Aufrechterhaltung einer Wellenleitervorrichtung bei
hohen Temperaturen einhergehen (d.h. Temperaturen oberhalb von 100°C).
-
Es
sei auch hervorgehoben, daß Auskleidungsmedien
gemäß der vorliegenden
Erfindung annehmbare Grade der chromophoren Mobilität liefern
können,
indem ein geeignetes Lösungsmittel
in das Auskleidungsmedium eingebracht wird. Im Falle eines polymeren
Auskleidungsmediums, welches ein Chromophor und ein Grund-Polymer
enthält,
lösen geeignete
Lösungsmittel
sowohl das Chromophor als auch das Polymer auf. In vielen Fällen führt die
Verwendung solcher Lösungsmittel
zu geeigneten Betriebstemperaturen der Vorrichtung bei oder nahe
bei der Raumtemperatur. Zum Zwecke der Definition und Beschreibung
der vorliegenden Erfindung sei erwähnt, daß ein Hinweis auf annehmbare
Grade der chromophoren Mobilität
hier unter der impliziten Annahme gemacht wird, daß das Material
solch eine Mobilität
aufweist, und zwar innerhalb von wenigstens einem Abschnitt des
Betriebstemperaturbereiches der Vorrichtung, und zwar bei der Auslieferung,
wenn dies nicht anderweitig angegeben wird.
-
Eine
Temperatursteuerung kann durch die Verwendung eines Vorrichtungs-Controllers erreicht
werden, der einen Temperatur-Controller darstellt, welcher so konfiguriert
ist, um die Vorrichtung auf einer bestimmten Betriebstemperatur
zu halten. Dort, wo beispielsweise das Auskleidungsmedium durch
eine effektive Glasübergangstemperatur
Tg gekennzeichnet ist, kann ein Temperatur-Controller
verwendet werden, um die Betriebstemperatur oberhalb der effektiven
Glasübergangstemperatur
Tg zu halten.
-
Es
sei darauf hingewiesen, daß die
vorliegende Erfindung die Verwendung von irgendeiner geeigneten herkömmlichen
oder geeigneten noch nicht entwickelten Struktur für die optische
Signalaufspaltung oder Signalverbindung mit einschließt. Beispielsweise
enthalten geeignete alternative Strukturen zum Aufspalten und Verbinden
von optischen Signalen 2x2 oder 1x2 Richtung-Kopplungszonen, 1x2
Y Signal-Teiler/verbinder, 1x2 Multimodus-Interferenzelement-Teiler/-verbinder
und 2x2 Multimodus-Interferenzelement-Teiler/-verbinder. Die
spezifischen Konstruktionsparameter dieser Strukturen liegen jenseits
des Rahmens der vorliegenden Erfindung und können anhand von existierenden
oder noch zu entwickelnden Quellen erfahren werden.
-
Geeignete
Kerr-Effekt-Medien für
die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung umfassen in typischer
Weise eine polymere/chromophore Mischung oder ein Polymer mit dem
Chromophor, welches als Seitenkette angebracht ist. Die polymere/chromophore
Mischung kann beispielsweise zwischen etwa 5 Gew% und etwa 20 Gew%
Chromophor enthalten, obwohl andere geeignete Gewichtsprozentbereiche
ebenfalls geeignet sein können.
Zur Veranschaulichung, jedoch nicht im Sinne einer Einschränkung, sei
erwähnt,
daß das Polymer
ein Fluorpolymer sein oder aus einem Polymer bestehen kann, welches
ausgewählt
ist aus Polycarbonat, Terpolymer, PMMA und Polycyclohexan. Im Falle
der Vewendung eines Lösungsmittels
zur Erhöhung der
chromophoren Mobilität
umfassen geeignete Lösungsmittel
ohne eine Einschränkung
darauf Dioxan, THS und Chloroform.
-
Zur
Veranschaulichung, jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn, umfaßt eine
Klasse von geeigneten Chromophoren für die Verwendung bei der vorliegenden
Erfindung eine Donorkomponente, eine Überbrückungskomponente mit einer
konjugierten und/oder aromatischen Komponente und mit einer Akzeptorkomponente.
Die Donorkomponente kann eine relativ starke Elektronen-Donor-Gruppe
umfassen, und die Akzeptorkomponente kann eine relativ starke Elektronen-Aufnahmegruppe
umfassen.
-
Zum
Zwecke der Beschreibung und Definition der Erfindung sei erwähnt, daß eine Donorkomponente eine
Komponente umfaßt,
die dazu befähigt
ist, Elektronen zu spenden, eine Akzeptorkomponente eine Komponente
umfaßt,
die dazu fähig
ist, Elektronen aufzunehmen, und eine Brückenkomponente die Donor- und Akzeptorkomponenten
stark aneinanderkoppelt. Bevorzugte Chromophore können auch
ausgewählt
werden, indem man dem Grad Rechnung trägt, in welchem diese Licht
bei der Frequenz des sich ausbreitenden Signals absorbieren, wobei
niedrige Werte einer Absorption bevorzugt werden.
-
Erneut
zum Zwecke der Veranschaulichung, jedoch nicht zum Zwecke der Einschränkung, besitzen die
Chromophore die folgenden molekularen Strukturen und können für die Verwendung
gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet sein:
-
Geeignete
Betriebstemperaturen der optischen Wellenleitervorrichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung sind eine Funktion der Eigenschaften der optisch funktio nellen
Zone und der optischen Wellenleitervorrichtung. Beispielsweise bei
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, bei denen die optisch funktionelle Zone
dafür ausgelegt
ist, um einen Brechungsindex festzulegen, der niedriger ist als
der Brechungsindex des optischen Wellenleiters, wird es erforderlich,
sicherzustellen, daß die
Betriebstemperatur der Vorrichtung über der Raumtemperatur liegt,
wenn bei Raumtemperatur der Brechungsindex der optisch funktionellen Zone
oberhalb derjenigen des Wellenleiters liegt. Tatsächlich können viele
funktionelle Polymere gemäß der vorliegenden
Erfindung als negative dn/dt Polymere charakterisiert werden, und
zwar dahingehend, daß diese Brechungsindices
festlegen, welche Temperaturerhöhungen
absenken. Somit kann ein negatives dn/dt Polymer einen Brechungsindex
oberhalb von demjenigen eines zugeordneten Wellenleitermaterials
bei Raumtemperatur aufweisen, jedoch unterhalb von demjenigen des
Wellenleitermaterials bei höheren
Temperaturen. Es wird natürlich
darauf hingewiesen, daß die
vorliegende Erfindung auch positive dn/dt Polymere verwenden kann
und nicht auf negative dn/dt Polymere beschränkt ist.
-
Der
Anteil des Lichtes, der die Möglichkeit
erhält,
in die optisch funktionelle Zone 35 der Auskleidung 30 zu
wandern, hängt
von dem Grad ab, in welchem der Brechungsindex der optisch funktionellen
Zone 35 niedriger liegt als der Brechungsindex des optischen
Wellenleiters 20. Es sei darauf hingewiesen, daß bei den meisten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wenigstens etwa 10% und nicht mehr als
etwa 90% des Lichtes, welches in den Wellenleiter 20 eingeleitet
wird, innerhalb des Wellenleiters 20 eingebunden bleiben
sollte. Spezifischer ausgedrückt
sei hervorgehoben, daß bei
vielen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zwischen etwa 30% und etwa 90% des Lichtes,
welches in den Wellenleiter 20 eingeleitet wird, innerhalb
des Wellenleiters 20 eingebunden verbleibt. Um noch spezifischer
zu werden, liefern einige empfohlene Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung zwischen etwa 40% und etwa 60% Einschluß des sich ausbreitenden
Lichtes innerhalb des Wellenleiters 20. In Ausdrücken der
Brechungsindexwerte liegt der Brechungsindex der optisch funktionellen
Zone bei vielen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zwischen etwa 0,3% und etwa 1,0% niedriger
als der Brechungsindex des optischen Wellenleiters. Beispielsweise kann
der Brechungsindex des optischen Wellenleiters zwischen etwa 1,450
und etwa 1,455 liegen, während der
Brechungsindex der optisch funktionellen Zone der Auskleidung zwischen
etwa 1,440 und etwa 1,450 liegen kann. Bei einer spezifischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt der Brechungsindex des optischen
Wellenleiters bei 1,550 nm bei ca. 1,4542 und der Brechungsindex
der optisch funktionellen Zone der Auskleidung liegt bei etwa 1,444.
-
Der
Grad des Einschlusses des sich ausbreitenden Lichtes innerhalb des
Wellenleiters 20 ist ebenfalls eine Funktion der Größe des Wellenleiters 20.
Spezifischer ausgedrückt
ist es gemäß den 6 und 7 zu empfehlen,
daß der
optische Wellenleiter 20 gemäß der vorliegenden Erfindung,
der schematisch in den 6 und 7 veranschaulicht
ist, und zwar relativ zu einem Intensitätsprofil 25 eines
sich ausbreitenden Signals, Querschnittsbreiten von zwischen etwa
3μm und
etwa 10μm
festlegt. Der optische Wellenleiter enthält in typischer Weise ein optisch
passives Material, welches den gleichen Abschnitt der optischen
Achse mit verwendet wie die optisch funktionelle Zone der Wellenleitervorrichtung,
kann jedoch alternativ auch einen optisch funktionellen Abschnitt
umfassen (z.B. ein elektrooptisches Material, ein thermooptisches
Material usw.).
-
Abhängig von
den gewünschten
Betriebseigenschaften der speziellen Wellenleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird empfohlen, daß es
häufig
vorteilhaft ist sicherzustellen, daß der Brechungsindex der optisch
funktionellen Zone niedriger liegt als der Brechungsindex des optischen
Wellenleiters, und zwar bei Temperaturen oberhalb von der effektiven
Glasübergangstemperatur
des Auskleidungsmediums. Zum Zwecke der Beschreibung und Definition
der Erfindung sei darauf hingewiesen, daß die effektive Glasübergangstemperatur
eines Materials die Temperatur ist, bei der die reorientierungsmäßige Mobilität des Chromophors
eine relativ große
Zunahme als Funktion der Temperatur des Materials zeigt. Die effektive
Glasübergangstemperatur
eines elektrooptischen Materials kann anhand von Messungen des elektrooptischen
Ansprechverhaltens des Materials als eine Funktion von dessen Temperatur
bestimmt werden.
-
In ähnlicher
Weise sei hervorgehoben, daß es
häufig
vorteilhaft sein kann sicherzustellen, daß der Brechungsindex der optisch
funktionellen Zone der Auskleidung niedriger liegt als der Brechungsindex
des optischen Wellenleiters bei Wellenlängen zwischen 1200 nm und etwa
1650 nm oder, spezifischer ausgedrückt, bei einer Wellenlänge von
etwa 1300 nm oder etwa 1550 nm. Zum Zwecke der Definition und Beschreibung der
vorliegenden Erfindung sei erwähnt,
daß der
Hinweis auf die relativen Werte der Brechungsindices der optisch
funktionellen Zone und des optischen Wellenleiters hier unter der
Annahme gemacht werden, daß die
relativen Werte bei der Betriebswellenlänge und der Betriebstemperatur
der Vorrichtung gelten sollen, wenn nicht anderweitig Angaben gemacht
sind.
-
Es
sei hervorgehoben, daß das
Steuersignal aus einem optischen Signal bestehen kann und daß die optisch
funktionelle Zone 35 der Auskleidung 30 auf die
Intensität
des optischen Signals ansprechen kann. Alternativ kann das Steuersignal
ein thermisches Signal umfassen und die optisch funktionelle Zone 35 der
Auskleidung 30 kann auf die Größe des thermischen Signals
ansprechen.
-
Zum
Zwecke der Definition und Beschreibung der vorliegenden Erfindung
sei darauf hingewiesen, daß die
Wellenlänge
von „Licht" oder eines „optischen
Signals" nicht auf
irgendeine bestimmte Wellenlänge
oder Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums begrenzt ist. Vielmehr
soll die Bezeichnung „Licht" und „optische
Signale", welche
Ausdrücke
hier in der vorliegenden Beschreibung untereinander austauschbar
verwendet werden, nicht bedeuten, daß bestimmte Sätze des
Anmeldungsgegenstandes abgedeckt werden sollen und hier definiert
werden, um jegliche Wellenlänge
der elektromagnetischen Strahlung abzudecken, die sich in einem
optischen Wellenleiter ausbreiten kann. Beispielsweise sind Licht
oder optische Signale im sichtbaren und im infraroten Abschnitt
des elektromagnetischen Spektrums beide dazu befähigt, sich in einem optischen Wellenleiter
auszubreiten. Ein optischer Wellenleiter kann irgendeine geeignete
Signalausbreitungsstruktur haben. Beispiele von optischen Wellenleitern
umfassen, ohne einschränkend
zu sein, optische Fasern, Platten-Wellenleiter und Dünnfilme,
die beispielsweise in integrierten optischen Schaltkreisen verwendet
werden.
-
Der
Brechungsindex des optischen Wellenleiters 20 liegt geringfügig höher als
derjenige der umgebenden Auskleidung 30, und zwar bei der
Betriebstemperatur der Vorrichtung 10. Als ein Ergebnis
ist der elektrooptische Modulator 10 gut dafür geeignet,
um ein optisches Signal zu führen.
Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein dotierter Tonerde-Wellenleiter 20 ins
Auge gefaßt,
mit einem Brechungsindex, der um 0,7% höher liegt als derjenige der
Auskleidung 30. Dies liefert eine gute Einschränkung oder
Beschränkung
und erlaubt es dennoch, daß Lichtanteile
sich in der Auskleidung ausbreiten können. Wenn der Indexunterschied
zwischen dem Wellenleiter und der Auskleidung auf 0,35% reduziert
wird, wird das optische Signal loser eingeschränkt oder gebunden, und ein
größerer Lichtanteil
breitet sich in der Auskleidung aus. Zum Zwecke einer Konfiguration
mit einem passiven Wellenleiter und einer elektrooptischen Auskleidung tritt
eine effizientere elektrooptische Interaktion bei der niedrigeren
Indexdifferenz auf. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Indexunterschiede
zwischen 0,3% und 1% besser für
die Konstruktion von Wellenleitern geeignet sind, da sie nicht mit
optischen Verlusten aus geringen Mischungen in dem Wellenleiter
behaftet sind.
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In
Verbindung mit 8 wird darauf hingewiesen, daß die Wellenleitervorrichtungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung in Telekommunikationseinrichtungen oder anderen Typen
von optischen Netzwerken 50 verwendet werden können. Ein
optisches Netzwerk 50 gemäß der vorliegenden Erfindung
kann unter anderen Dingen eine oder mehrere Sender 52 und
Empfänger 54,
ein Netzwerk an optischen Übertragungsleitungen 56,
eine Vielfalt an optischen Komponenten 58 und eine oder
mehrere Wellenleitervorrichtungen 60 gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen. Das Netzwerk 50 kann ferner elektrische
oder andere nicht-optische Komponenten und Übertragungsleitungen (nicht
gezeigt) enthalten. Die optischen Sender 52 sind so konfiguriert,
daß sie
optische Signale senden. Die Vielfalt der optischen Komponenten,
die allgemein in einem optischen Netzwerk verwendet werden, sind
hier unter Hinweis auf ein Signalblockelement veranschaulicht, um die
Klarheit der Darstellung aufrechtzuerhalten und können beispielsweise
optische Schalter, Verstärker, Koppler,
Regeneratoren, Filter usw. enthalten.
-
Ein
Controller 70 ist zu dem Zweck vorgesehen, um den Betrieb
der Wellenleitervorrichtungen 60 auf einer vollautomatisierten
Grundlage oder im Ansprechen auf einen Operator-Befehl zu ermöglichen.
Der Controller 70 ist so konfiguriert, daß er das
Steuersignal erstellt und steuert, welches an die optisch funktionelle Zone
von jeder Wellenleitervorrichtung 60 angelegt wird. Der
Controller kann dazu verwendet werden, um dazu beizutragen, die
Betriebstemperatur zu steuern oder auch einen anderen Betriebsparameter
der Wellenleitervorrichtungen oder des optischen Netzwerks 50 zu
steuern.
-
In
Verbindung mit 9 wird darauf hingewiesen, daß die modulierte
Ausgangsgröße eines
elektrooptischen Modulators 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
mit einem Eingang eines angeordneten (arrayed) Wellenleitergitters
(AWG) oder einem anderen Typ einer Wellenlängenwählvorrichtung integriert sein
kann. Zum Zwecke der Definition und Beschreibung der vorliegenden
Erfindung sei erwähnt,
daß irgendeine
Struktur entweder (i) eine Vielzahl an wellenlängenmäßig diskriminierten Signalen
von einem Breitband oder einer Vielfach-Wellenlängenquelle oder (ii) ein Breitband
oder eine Vielwellenlängenquelle
von einer Vielzahl an wellenlängenmäßg diskriminierten
Signalen als „Wellenlängen-Wählvorrichtung" betrachtet werden
können.
Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird fortwährend Bezug
genommen auf angeordnete Wellenleitergitter (arrayed waveguide gratings),
und zwar als ein Beispiel für
solch eine Vorrichtung. Jedoch umfaßt die vorliegende Erfindung
auch Wellenlängen-Wählschalter,
Richtungskoppler oder irgendwelche geeigneten Vorrichtungen zum
Selektieren der Wellenlängen.
-
In 11 (9??)
definiert das angeordnete Wellenleitergitter AWG eine Vielzahl von
Eingängen
für n diskrete
Wellenlängen λ1, λ2, λ3,
...λn. Jede der Eingangsgrößen kann an jeweilige modulierte
Ausgänge
eines Satzes von elektrooptischen Modulatoren 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung gekoppelt werden. Wie von Fachleuten auf dem Gebiet der
optischen Kommunikation erkannt werden kann, ist das angeordnete
Wellenleitergitter so konfiguriert, um ein Multiplex-Signal λ1, λ2,
...λn. aus einer Vielzahl von modulierten Ausgangsgrößen der
diskreten Wellenlängen
zu generieren. In 10 definiert das angeordnete
Wellenleitergitter AWG eine Signaleingangsgröße, die an eine Breitband-
oder Vielfach-Spektralquelle λ1, λ2, ...λn gekoppelt ist, und die elektrooptischen
Modulatoren 10 sind mit den jeweiligen Ausgangsgrößen des
angeordneten Wellenleitergitters (AWG) integriert, um die demultiplexten
Signale λ1, λ2, λ3, ...λn zu modulieren. Wie schematisch in den 9 und 10 veranschaulicht
ist, können
das angeordnete Wellenleitergitter AWG und die Vielzahl der Modulatoren 10 auf
einem gemeinsamen Substrat 40 (geformt sein) bzw. aufgeschichtet
sein und abgestützt sein
oder anderweitig konfiguriert sein.
-
Es
sei hervorgehoben, daß die
Eigenschaften der optisch funktionellen Zonen gemäß der vorliegenden
Erfindung und die Betriebsparameter der Vorrichtungen, welche die
Zonen verwenden, optimiert werden können, wie in
11 veranschaulicht
ist, wobei n
P den Brechungsindex des Polymers
bezeichnet, und zwar von der optisch funktionellen Zone, n
w den Brechungsindex des Wellenleiters bezeichnet
und
ist. Spezifischer ausgedrückt ist
es in vielen Fällen
zu bevorzugen,
-
Wellenleitervorrichtungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem gewissen Typ eines Betriebstemperaturreglers
auszustatten, der so konfiguriert ist, um die Betriebstemperatur
der optisch funktionellen Auskleidungszone zu optimieren. In diesen
Fällen
kann der Regler oder Controller so programmiert sein, um die Betriebstemperatur
auf einem Wert zu halten, der ausreichend ist, um einen Brechungsindex
np der optisch funktionellen Zone von wenigstens
etwa 0,3% zu liefern, niedriger als ein Brechungsindex nw des optischen Wellenleiters. Bei der veranschaulichten
Ausführungsform
liegt zur Berücksichtigung
von einer gewissen Ungewißheit
des Wertes des Brechungsindex np dieser
Temperaturwert etwa zwischen 60°C
und etwa 75°C,
entsprechend dem Liniensegment, welches sich von dem Punkt A zu
dem Punkt B in 11 erstreckt. Noch genauer ausgedrückt, sind
Betriebstemperaturen, die irgendeinem Punkt innerhalb des querstrichlierten
Bereiches von 11 entsprechen (z.B. zwischen
etwa 60°C
und etwa 90°C),
geeignete Kandidaten, bei denen der Brechungsindex nP um
etwa zwischen 0,3% und etwa 0,7% niedriger liegt als der Brechungsindex
nw.
-
Wie
ferner in 11 gezeigt ist, können optisch
funktionelle Auskleidungszonen gemäß der vorliegenden Erfindung
ein negatives dn/dt-Polymer aufweisen, d.h. ein Polymer, welches
einen Brechungsindex nP festlegt, der mit
Zunahme der Temperatur abnimmt. Im Gegensatz dazu kann der zugeordnete
optische Wellenleiter ein positives dn/dt-Material aufweisen d.h.
ein Material, welches einen Brechungsindex nP festlegt,
der mit der Zunahme der Temperatur ansteigt. In 11 nimmt
der Brechungsindex np der optisch funktionellen Zone
bei zunehmender Temperatur in einer Rate ab, die ausreichend ist,
um zu einem Brechungsindex nP zu führen, der
um etwa zwischen 0,3% und etwa 1,0% niedriger liegt als der Brechungsindex
nw des optischen Wellenleiters. Der Brechungsindex
np liegt um wenigstens etwa 0,3% niedriger
als der Brechungsindex nw bei einer Temperatur
zwischen etwa 60°C
und etwa 90°C.
-
Um
nun auf 12 einzugehen, so ist in dieser
eine integrierte optische Vorrichtung 80 gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht, und diese umfaßt eine optische Übertragungsleitung 81,
eine Vielzahl von add-Kanälen 82 und
Abfall-Kanäle
(drop channels) 83, ein Array von elektrooptischen Modulatoren 84,
ein Array von elektrooptischen Schaltern 85, ein „add" angeordnetes Wellenleitergitter 86 und
ein „drop" angeordnetes Wellenleitergitter 87.
Die optische Übertragungsleitung 81 ist
so konfiguriert, daß sie
eine Vielzahl an optischen Signalen λ1, λ2,.λn führen kann.
Die Vielzahl der add-Kanäle 82 ist
an die optische Übertragungsleitung 81 über das
Array der elektrooptischen Modulatoren 84, das Array der
elektrooptischen Schalter 85 und über das „add" angeordnete Wellenleitergitter 86 gekoppelt.
Die Vielzahl der drop-Kanäle 83 ist über das
Array der elektrooptischen Schalter 85 und das „drop" angeordnete Wellenleitergitter 87 an
die optische Übertragungsleitung 81 gekoppelt.
Das Array der elektrooptischen Schalter 85 ist so konfiguriert,
daß es
von der optischen Übertragungsleitung 81 ein
Signal oder Signale einer ausgewählten
Wellenlänge λ; zum Abfallen bringt,
während
es auf die optische Übertragungsleitung 81 ein
entsprechendes Signal einer ausgewählten Wellenlänge λi von
einem der elektrooptischen Modulatoren 84 hinzuaddiert.
-
Die
elektrooptischen Modulatoren 84 gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglichen
die Konfiguration der optischen Übertragungsleitung 81,
der Vielzahl der add- und
drop-Kanäle 82, 83,
des Arrays der elektrooptischen Modulatoren 84, des Arrays
der elektrooptischen Schalter 85, des „add"-angeordneten Wellenleitergitters 86 und
des „drop"-angeordneten Wellenleitergitters 87 auf
einem gemeinsamen Substrat 88. Es sei hervorgehoben, daß diese
Elemente auf dem Substrat 88 in irgendeiner aus einer Vielfalt
von geeigneten Arten konfiguriert sein können, inclusive jedoch nicht
eingeschränkt
auf die Ausbildung in oder auf dem Substrat, Schichtenbildung über dem
Substrat, Abstützung
auf dem Substrat usw. Ferner können
die elektrooptischen Modulatoren 84 gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer Vielfalt von Anwendungen verwendet werden, und zwar als
kosteneffiziente integrierte Komponente eines Telekommunikationsnetzwerks.
-
Gemäß 13 ist
ein elektrooptisches Modulator-Array 90 gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht. Das Modulator-Array 90 umfaßt ein Array
an optischen Wellenleitern 91, jeweilige Paare an optischen
Wellenleiterarmen 92, eine optisch funktionelle Auskleidungszone 93 und
einen Modulations-Controller mit einem Array von Signalelektroden 94 und
gemeinsam verwendeten Erdungselektroden 95. Das Array der optischen
Wellenleiter 91 ist so konfiguriert, um ein sich ausbreitendes
optisches Signal in jeweilige Paare der optischen Wellenleiterarme 92 aufzuspalten
und die optischen Signale wieder zu verbinden, nachdem sie durch
die optisch funktionelle Auskleidungszone 83 hindurch gelaufen
sind. Die optisch funktionelle Auskleidungszone 93 ist
so konfiguriert, daß wenigstens
einer der optischen Wellenleiterarme von jedem Paar der optischen
Wellenleiterarme 92 durch die funktionelle Auskleidung
hindurch verläuft,
bevor die Armpaare 92 wieder zusammengeführt werden.
-
Der
Modulations-Controller ist so konfiguriert, um ein Modulier-Steuersignal
zu der optisch funktionellen Auskleidungszone 93 zu liefern
und umfaßt
ein Array von Signalelektroden 94, die für die einzelnen
optischen Wellenleiterarme bestimmt sind, welche durch die optisch
funktionelle Zone 93 verlaufen. Die Signal- und Erdungselektroden 94, 95 sind
so konfiguriert, um jeweils elektrische Felder in der optisch funktionellen Auskleidungszone 93 im
Ansprechen auf die jeweiligen Steuersignale zu generieren, die von
unterschiedlichen Elektroden der Signalelektroden 94 angelegt
werden. Wie oben erläutert
worden ist, definiert die optisch funktionelle Auskleidungszone 93 einen
Brechungsindex, der so ausgelegt ist, daß er im Ansprechen auf das
angelegte Feld variiert. Auf diese Weise ändern die jeweiligen elektrischen
Felder, die in der optisch funktionellen Auskleidungszone erzeugt
werden, die jeweiligen Brechungsindices, die den individuellen optischen
Wellenleiterarmen zugeordnet sind, welche durch die optisch funktionelle
Zone 93 hindurch verlaufen.
-
Wie
in 13 veranschaulicht ist, umfaßt das elektrooptische Modulatorarray 90 ferner
ein Array-Wellenleitergitter 96, welches so konfiguriert
ist, um die jeweiligen Signale, die sich entlang dem Array der optischen
Wellenleiter 91 ausbreiten, zu multiplexen, und zwar moduliert
durch den Modulations-Controller. Alternativ kann gemäß der Darstellung
in 14 das Array-Wellenleitergitter so konfiguriert
sein, um ein Eingangssignal zu demultiplexen und um jeweilige demultiplexte
Signale so zu lenken, daß sie
sich entlang einzelner optischer Wellenleiter des Arrays der optischen
Wellenleiter 91 ausbreiten, und zwar zum Zwecke der Modulation
durch den Modulations-Controller. Das Array der optischen Wellenleiter 91,
die optisch funktionelle Auskleidungszone 93, die Signal-
und Erdungs-Elektroden 94, 95 und das Array-Wellenleitergitter 96 können auf einem
gemeinsamen Substrat 98 konfiguriert sein.
-
Es
sei darauf hingewiesen, daß die
Ausdrücke
wie „bevorzugt", „gemeinsam" und „typisch" hier nicht zu dem
Zweck verwendet werden, um den Rahmen der beanspruchten Erfindung
einzuschränken
oder hier festzuhalten, daß bestimmte
Merkmale kritisch, wesentlich oder selbst wichtig für die Struktur
oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr ist mit
diesen Ausdrücken
beabsichtigt, alternative oder zusätzliche Merkmale zu beleuchten
oder hervorzuheben, die bei einer bestimmten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet oder auch nicht verwendet werden.
-
Zum
Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung
sei erwähnt,
daß der
Ausdruck „im
wesentlichen" hier
zu dem Zweck verwendet wird, um den inherenten Grad der Ungewißheit wiederzugeben,
der zu irgendeinem quantitativen Vergleich, Wert oder Messung oder
anderer Wiedergabe beitragen kann. Der Ausdruck „im wesentlichen" wird hier auch zu
dem Zweck verwendet, um den Grad anzugeben, in welchem eine quantitative
Repräsentation
von einer angegebenen Bezugsgröße abweichen
kann, ohne dabei zu einer Änderung
in der Grundfunktion des hier dargestellten Gegenstandes zu führen.
-
Während die
vorliegende Erfindung in Einzelheiten und unter Hinweis auf spezifische
Ausführungsformen
derselben beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, daß abgewandelte
Ausführungsformen
und Variationen möglich
sind, ohne dabei den Rahmen der Erfindung, wie er durch die anhängenden
Ansprüche
festgehalten ist, zu verlassen. Beispielsweise richten sich mehrere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung auf eine Beeinflussung des Brechungsindex
unter Verwendung von funktionellen elektrooptischen Auskleidungen.
Es sei jedoch hervorgehoben, daß viele
der Ausführungsformen,
die hier beschrieben sind, auch für funktionelle elektrooptische
Wellenleiter mit oder ohne funktionelle Auskleidungen angewendet
werden können.
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Zusammenfassung
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Elektrooptische Modulatoren
und Wellenleitervorrichtungen, welche diese enthalten
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet eine verbesserte Wellenleitervorrichtung eine
vorteilhaft ausgelegte optische funktionelle Auskleidungszone und
einen zugeordneten Modulations-Controller, um Konstruktionsengpässen bei
Anwendungen zu begegnen, die eine Modulation, Dämpfung, Steuerung, Schaltvorgänge etc.
von optischen Signalen erfordern. Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein elektrooptischer Modulator vorgesehen
mit einem optischen Wellenleiter, einer Auskleidung, die optisch an
den optischen Wellenleiter gekoppelt ist, einer optisch funktionellen
Auskleidungszone, die in wenigstens einem Abschnitt der Auskleidung
festgelegt ist, und mit einem Modulations-Controller, der so konfiguriert
ist, um ein Modulations-Steuersignal für die optisch funktionelle
Auskleidungszone zu liefern. Der Modulations-Controller ist so konfiguriert,
um ein elektrisches Feld in der optisch funktionellen Zone im Ansprechen
auf ein vorspannendes Modulations-HF-Steuersignal zu generieren.
