DE19503931A1 - New single-mode integrated-optical wide-band waveguide - Google Patents
New single-mode integrated-optical wide-band waveguideInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Streifen-Wellenleiter. Durch die neuartigen Eigenschaften des Streifen-Wellenleiters ergeben sich neue Anwendungsgebiete, die ein Modulieren oder Schalten und das räumliche Zusammenführen von Lichtanteilen unterschiedlicher Wellenlänge erfordern. Die Erfindung steht im Zusammenhang mit den am gleichen Tag beim DPA eingereichten Patentanmeldungen "Verbindungsaufspalter aus Breitband-Streifen-Wellenleitern und Verwendungen" und "Farbbilderzeugungssysteme".The invention relates to an integrated optical strip waveguide. Through the novel properties of the strip waveguide result in new ones Areas of application that involve modulating or switching and spatial Merging light components of different wavelengths require. The Invention is related to those filed with the DPA on the same day Patent applications "Link splitters made of broadband strip waveguides and Uses "and" Color Imaging Systems ".
Zum Übertragen, zum Modulieren und/oder zum Schalten von Licht mittels integriert-op tischer Bauelemente ist es erforderlich, Lichtwellenleiter herzustellen, deren Funktion auf der Erhöhung der Brechzahl im wellenleitenden Bereich beruht; z. B. Streifen-Wellenleiter oder Lichtleitfasern (in: W. Karthe, R. Müller, Integrierte Optik, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G. , Leipzig, 1991).For transmitting, modulating and / or switching light using the integrated op table components, it is necessary to manufacture optical fibers whose Function based on increasing the refractive index in the waveguiding area; e.g. B. Striped waveguides or optical fibers (in: W. Karthe, R. Müller, Integrated Optik, Academic Publishing Company Geest & Portig K.-G. , Leipzig, 1991).
Eine weitere Möglichkeit der Lichtübertragung und Lichtmodulation bieten Quasiwellenleiter, z. B. ARROW (in: M. Mann, U. Trutschel, C. Wächter, L. Leine, F. Lederer, "Directional coupler based on an antiresonant reflecting optical waveguide", Opt. Lett., Vol. 16 (1991), No. 11, pp. 805-807).Offer another way of light transmission and light modulation Quasi-waveguide, e.g. B. ARROW (in: M. Mann, U. Trutschel, C. Wächter, L. Leine, F. Lederer, "Directional coupler based on an antiresonant reflecting optical waveguide", Opt. Lett., Vol. 16 (1991), No. 11, pp. 805-807).
Für ein effektives Modulieren und/oder Schalten von Licht ist es vorteilhaft, wenn Wellenleiter nur den Grundmodus führen. Verschiedene Wellenlängen des Lichts erfordern somit verschiedene Werte der charakteristischen Wellenleiterparameter, welches im allgemeinen die Verwendung verschiedener Wellenleiter für verschiedene Wellenlängen des Lichts erfordert. For effective modulation and / or switching of light, it is advantageous if Only guide the waveguide in the basic mode. Different wavelengths of light therefore require different values of the characteristic waveguide parameters, which generally involves the use of different waveguides for different ones Wavelengths of light required.
Monomode-Lichtleitfasern haben dagegen die an sich bekannte Eigenschaft, Licht eines großen spektralen Bereiches einmodig effektiv zu übertragen.In contrast, single-mode optical fibers have the property known per se, light to transmit a large spectral range effectively in a single mode.
Bisher ist jedoch kein Streifen-Wellenleiter in oder auf einem Substratmaterial bekannt, der die Eigenschaft hat, Licht verschiedener Wellenlängen, die einen Wellenlängenunterschied größer als etwa 130 nm haben (Angabe gilt für sichtbares Licht), in ein und demselben Streifen-Wellenleiter mit, technisch gesehen, ausreichender Effektivität einmodig zu führen.So far, however, no strip waveguide is known in or on a substrate material, which has the property of light of different wavelengths that unite Have a wavelength difference greater than about 130 nm (information applies to visible Light), in one and the same strip waveguide with, technically speaking, sufficient effectiveness to run single-mode.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Licht mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche in ein und demselben Streifen-Wellenleiter einmodig zu führen. Dabei soll die Lichtwellenleitung im Streifen-Wellenleiter, wenn gewünscht, schaltbar oder modulierbar sein. Die Strahlung verschiedener Wellenlängen soll bei einem Wellenlängenunterschied größer als etwa 130 nm (Angabe gilt für sichtbares Licht) noch mit, technisch gesehen, ausreichender Effektivität übertragbar sein. Weiterhin sollen Sensoren mit neuartigen Eigenschaften entwickelt werden.The present invention has for its object light of several wavelengths or wavelength ranges in one and the same strip waveguide to lead. The optical waveguide in the strip waveguide should, if desired, be switchable or modular. The radiation of different wavelengths is said to a wavelength difference greater than about 130 nm (information applies to visible Light) can still be transferred with, technically, sufficient effectiveness. Furthermore, sensors with novel properties are to be developed.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einem Streifen-Wellenleiter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 oder des Anspruchs 3 gelöst. Die Ansprüche 4 bis 18 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Hauptansprüche 1 bis 3. Die Aufgabe der Erfindung zur Verwendung bezüglich Schaltbarkeit und Modulierbarkeit wird mit den Merkmalen des Anspruchs 19 oder des Anspruchs 21 gelöst. Der Unteranspruch 20 ist eine Ausgestaltung des Hauptanspruchs 19. Die Aufgabe der Erfindung zur Verwendung als Sensor wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 22 gelöst. Die Unteransprüche 23 bis 25 sind Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 22. The object of the invention is achieved by a strip waveguide with the features of claim 1 or claim 2 or claim 3 solved. Claims 4 to 18 are advantageous embodiments of the main claims 1 to 3. The object of the invention for use with regard to switchability and Modulability is achieved with the features of claim 19 or claim 21 solved. Subclaim 20 is an embodiment of main claim 19. The object of the invention for use as a sensor with the features of Main claim 22 solved. The sub-claims 23 to 25 are refinements of the Main claim 22.
Die Erfindung besteht darin, daß es gelungen ist, einen einmodigen, zweidimensional senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts eng begrenzten Kanal herzustellen, der die Eigenschaft hat, Licht vergleichsweise breitbandig zu übertragen (Anspruch 1). Zweidimensional eng begrenzt bedeutet, daß ein Kanal herstellbar ist, der als in das Substrat eingebrachter Graben oder als auf das Substrat aufgebrachter Streifen die wellenleitende Struktur darstellt, die eine eng begrenzte Querschnittsform hat. Die Querschnittsform kann beliebig, insbesondere streifenförmig, rechteckig, dreieckförmig, kreisförmig, elliptisch oder vieleckig sein.The invention is that it has succeeded in creating a single-mode, two-dimensional perpendicular to the direction of propagation of light to create a narrowly defined channel, the has the property of transmitting light comparatively broadband (claim 1). Two-dimensionally delimited means that a channel can be produced that is in the Trench introduced into the substrate or as a strip applied to the substrate represents wave-guiding structure, which has a narrowly limited cross-sectional shape. The cross-sectional shape can be arbitrary, in particular strip-shaped, rectangular, triangular, circular, elliptical or polygonal.
Der Graben oder der aufgebrachte Streifen werden durch eine bestimmte Modifikation eines geeigneten Substratmaterials oder aus einer Kombination mindestens zweier Materialien realisiert. Die dazu notwendigen Verfahren sind an sich bekannt. Begünstigt wird die breitbandige Übertragung von Licht, wenn die Dispersion der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhöhung, d(n₂ - ns) / dλ, größer oder gleich Null ist (Anspruch 3).The trench or the applied strip are realized by a certain modification of a suitable substrate material or from a combination of at least two materials. The procedures required for this are known per se. The broadband transmission of light is favored if the dispersion of the refractive index increase required for the waveguide, d (n₂-n s ) / dλ, is greater than or equal to zero (claim 3).
Es wurde jedoch auch gefunden, daß auch ein Streifen-Wellenleiter mit einem nicht eng begrenzten Kanal die Eigenschaft hat, Licht vergleichsweise breitbandig zu übertragen, wenn nur die Dispersion der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhöhung, d(n₂ - ns) / dλ, größer oder gleich Null ist (Anspruch 2). In jedem Fall liegt ein einmodiger, integriert-optischer Breitband-Streifen-Wellenleiter (nachfolgend EOBSW genannt) vor, der in der Lage ist, Licht breitbandig und einmodig zu übertragen. Breitbandig heißt, daß Strahlung verschiedener Wellenlängen mit einer Bandbreite größer als etwa 130 nm (Angabe gilt für sichtbares Licht) mit einer technisch ausreichenden Effektivität einmodig übertragbar ist.However, it has also been found that a strip waveguide with a channel which is not narrowly defined has the property of transmitting light in a comparatively broadband manner if only the dispersion of the refractive index increase required for the waveguide, d (n₂-n s ) / dλ, is greater or is zero (claim 2). In any case, there is a single-mode, integrated-optical broadband strip waveguide (hereinafter referred to as EOBSW), which is able to transmit light broadband and single-mode. Broadband means that radiation of different wavelengths with a bandwidth greater than approximately 130 nm (information applies to visible light) can be transmitted in one mode with a technically sufficient effectiveness.
Einmodig heißt, daß zu jeder gegebenen Wellenlänge aus einem Wellenlängenbereich ein und nur ein effektiver Brechungsindex zuordenbar ist (Fig. 7). One-mode means that one and only one effective refractive index can be assigned to a given wavelength from a wavelength range ( FIG. 7).
Licht wird hier im Sinne von sichtbarer und unsichtbarer (infrarotes und UV-Licht) elektromagnetischer Strahlung verstanden.Here light becomes visible and invisible (infrared and UV light) understood electromagnetic radiation.
Übertragung mit technisch ausreichender Effektivität heißt, daß der effektive Brechungsindex Neff des im EOBSW geführten Modus wenigstens 5×10-5 über dem Brechungsindex des umgebenden Materials ns liegen muß. Das ist eine notwendige Voraussetzung, damit niedrige Werte der Wellenleiterdämpfung im Bereich von 1 dB/cm erreicht werden können. Technisch effektiv bedeutet weiterhin, daß sich im gesamten einmodig führbaren Wellenlängenbereich die Wellenleiterdämpfung und die Effizienz der optischen Kopplung zwischen dem EOBSW und einer Einmoden- Lichtleitfaser um nicht mehr als 30% ändern sollen, da in der Regel Licht mit Hilfe von Einmoden-Lichtleitfasern in den EOBSW eingekoppelt wird. Mit herkömmlichen Streifen-Wellenleitern ist es nicht möglich, z. B. rotes und blaues Licht in ein und demselben Streifen-Wellenleiter einmodig mit technisch ausreichender Effektivität zu führen. Die Parameter Brechzahl des Substrates, Brechzahl des Superstrates, Brechzahl oder ein- oder zweidimensionales Brechzahlprofil des EOBSW, Querschnittsform (zum Beispiel Breite und Tiefe) und Lage des EOBSW in oder auf dem Substrat sind so dimensioniert, daß in einem großen Wellenlängenbereich von Δλ < 130 nm (Angabe gilt für sichtbares Licht) ein einmodiger Betrieb des EOBSW gewährleistet ist, d. h. zu einer gegebenen Wellenlänge aus diesem Bereich jeweils ein und nur ein effektiver Brechungsindex zuordenbar ist (in: W. Karthe, R. Müller, Integrierte Optik, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G., Leipzig, 1991).Transmission with technically sufficient effectiveness means that the effective refractive index N eff of the mode carried out in EOBSW must be at least 5 × 10 -5 above the refractive index of the surrounding material n s . This is a necessary requirement so that low waveguide attenuation values in the range of 1 dB / cm can be achieved. Technically effective also means that the waveguide attenuation and the efficiency of the optical coupling between the EOBSW and a single-mode optical fiber should not change by more than 30% in the entire single-mode wavelength range, since light is generally used with the aid of single-mode optical fibers in the EOBSW is coupled. With conventional strip waveguides, it is not possible, e.g. B. red and blue light in one and the same strip waveguide single-mode with technically sufficient effectiveness. The parameters refractive index of the substrate, refractive index of the superstrate, refractive index or one- or two-dimensional refractive index profile of the EOBSW, cross-sectional shape (for example width and depth) and position of the EOBSW in or on the substrate are dimensioned such that in a large wavelength range of Δλ <130 nm (information applies to visible light), single-mode operation of the EOBSW is guaranteed, i.e. one and only one effective refractive index can be assigned to a given wavelength from this range (in: W. Karthe, R. Müller, Integrated Optics, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G., Leipzig, 1991).
Insbesondere können Lichtwellen des gesamten sichtbaren Wellenlängenbereiches geführt werden. Dabei ist die Führung der Lichtwellen in ein und demselben EOBSW über den gesamten sichtbaren Bereich einmodig und erfolgt, technisch gesehen, mit der gleichen Effektivität. Somit liegt ein Weißlicht-Streifen-Wellenleiter vor. In particular, light waves of the entire visible wavelength range be performed. The light waves are guided in one and the same EOBSW one-mode over the entire visible area and, technically speaking, takes place with the same effectiveness. Thus there is a white light stripe waveguide.
Die erfindungsgemäßen EOBSW sind durch die spezifisch angepaßten Verfahren zu ihrer Herstellung und durch ihre spezifischen Eigenschaften charakterisiert. Physikalische Anforderungen an das Substratmaterial sind die Herstellbarkeit lateral eng begrenzter Strukturen (z. B. durch Ausnutzung einer Diffusionsanisotropie beim Ionenaustausch) und/oder eine Dispersion der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhöhung gegenüber dem den EOBSW umgebenden Material entsprechend der FormelThe EOBSW according to the invention are due to the specifically adapted method their production and characterized by their specific properties. Physical requirements for the substrate material are lateral producibility narrowly defined structures (e.g. by using diffusion anisotropy in the Ion exchange) and / or a dispersion of those necessary for waveguiding Refractive index increase compared to the material surrounding the EOBSW according to the formula
mit ns=n₁ falls n₁<n₃ oder ns=n₃ falls n₃<n₁.with n s = n₁ if n₁ <n₃ or n s = n₃ if n₃ <n₁.
Der EOBSW wird nach einem der folgenden Verfahren hergestellt:The EOBSW is manufactured using one of the following processes:
- - Ionenaustausch bzw. Ioneneindiffusion in dielektrischen Kristallen, wie KTiOPO₄ (KTP), LiNbO₃ und LiTaO₃,Ion exchange or ion diffusion in dielectric crystals, such as KTiOPO₄ (KTP), LiNbO₃ and LiTaO₃,
- - Ionenaustausch in Glas,- ion exchange in glass,
- - Spritzguß-, Präge- bzw. Schleuderverfahren mit Polymeren auf geeigneten Substraten, wie Si, hierbei entstehen First- oder invertierte First- oder Petermannwellenleiter,- Injection molding, embossing or centrifugal processes with polymers on suitable Substrates, such as Si, result in ridge or inverted ridge or Petermann waveguide,
- - EOBSW in II-VI- oder III-V-Halbleitermaterialien, hergestellt durch epitaktische Abscheideverfahren auf geeigneten Substraten, wie SiO₂, für Anwendung im infraroten Wellenlängenbereich,- EOBSW in II-VI or III-V semiconductor materials made by epitaxial Deposition process on suitable substrates, such as SiO₂, for use in infrared wavelength range,
- - EOBSW in II-VI- oder III-V-Halbleitermaterialien, hergestellt durch Dotierung oder Legierung für Anwendung im infraroten Wellenlängenbereich,- EOBSW in II-VI or III-V semiconductor materials, produced by doping or alloy for use in the infrared wavelength range,
- - EOBSW in Heterostrukturen ternärer oder quaternärer II-VI- oder III-V-Halbleitermaterialien,- EOBSW in heterostructures of ternary or quaternary II-VI or III-V semiconductor materials,
- - First- oder invertierte First- oder Petermannwellenleiter in II-VI- oder III-V-Halbleitermaterialien,- Ridge or inverted ridge or Petermann waveguide in II-VI or III-V semiconductor materials,
- - EOBSW in und auf einem geeigneten Substratmaterial, vorzugsweise Si, durch Kombination von Si-, SiO₂- und SiON-Schichten, - EOBSW in and on a suitable substrate material, preferably Si Combination of Si, SiO₂ and SiON layers,
- - Sol-Gel-Prozesse auf geeigneten Substratmaterialien (S. Pelli, G. C. Righini, A. Verciani: "Laser writing of optical waveguides in sol-gel films", SPIE 2213, International Symposium on Integrated Optics, pp. 152-163, 1994),- Sol-gel processes on suitable substrate materials (S. Pelli, G. C. Righini, A. Verciani: "Laser writing of optical waveguides in sol-gel films", SPIE 2213, International Symposium on Integrated Optics, pp. 152-163, 1994),
- - Ionenimplantation in allen vorgenannten Materialien.- Ion implantation in all of the aforementioned materials.
Die Verfahren Ionenaustausch bzw. Ioneneindiffusion in dielektrischen Kristallen oder Ionenaustausch in Glas sind mit dem Verfahren der Ionenimplantation vorteilhaft kombinierbar, um eng begrenzte Strukturen zu erhalten.The processes of ion exchange or ion diffusion in dielectric crystals or Ion exchange in glass is advantageous with the method of ion implantation can be combined to obtain narrowly limited structures.
Der erfindungsgemäße EOBSW ermöglicht die Lichtwellenleitung, Lichtmodulation und/oder das Schalten von Licht innerhalb eines breiten Spektralbereiches. Die Modulation der Phase, der Amplitude und/oder der Polarisation des Lichts erfolgt im EOBSW nach einem der folgenden Prinzipien:The EOBSW according to the invention enables optical waveguide, light modulation and / or switching light within a wide spectral range. The phase, the amplitude and / or the polarization of the light is modulated in the EOBSW according to one of the following principles:
- - elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, optooptische, oder photothermische Modulation,- electro-optical, acousto-optical, thermo-optical, magneto-optical, opto-optical, or photothermal modulation,
- - Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,- Change the effective refractive index by injection or depletion of free Charge carriers in semiconductor materials,
- - elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, optooptische oder photothermische cut-off-Modulation,- electro-optical, acousto-optical, thermo-optical, magneto-optical, opto-optical or photothermal cut-off modulation,
- - cut-off-Modulation aufgrund der Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,- cut-off modulation due to the change in the effective refractive index by injection or depletion of free charge carriers in semiconductor materials,
- - steuerbare Wellenleiterverstärkung,controllable waveguide amplification,
- - steuerbare Polarisationsdrehung,controllable polarization rotation,
- - Wellenleiter-Modenwandlung oder- waveguide mode conversion or
- - Elektroabsorptionsmodulation.- Electro absorption modulation.
Die Modulation des Lichts kann auch außerhalb des EOBSW erfolgen; durch: Änderung der Koppeleffektivität Lichtquelle - Streifen-Wellenleiter oder Modulation der Lichtquelle selbst oder weiterhin Lichtabschwächer (z. B. Graukeil) oder Phasenschieber (z. B. Pockelszelle) oder Polarisationsdreher als externe Bauelemente. The light can also be modulated outside the EOBSW; by: Change in coupling efficiency light source - strip waveguide or modulation of the Light source itself or further light attenuators (e.g. gray wedge) or Phase shifter (e.g. Pockels cell) or polarization rotator as external components.
Die Modulation des Lichts im EOBSW ist in der Phase, der Amplitude und der Polarisationsrichtung erfolgbar.The modulation of the light in the EOBSW is in the phase, the amplitude and the Direction of polarization possible.
Ein äußeres elektrisches Feld Eelektr. hat auf die Brechzahl des Substratmaterials und in guter Näherung auch auf die effektive Brechzahl des geführten Modus, den Einfluß entsprechend der FormelAn external electric field E electr. has the influence according to the formula on the refractive index of the substrate material and, to a good approximation, also on the effective refractive index of the guided mode
mit der Brechzahl des Materials nÿ, dem linearen elektrooptischen Tensor rÿk und i, j= 1, 2, 3.with the refractive index of the material n ÿ , the linear electro-optical tensor r ÿk and i, j = 1, 2, 3.
Durch Wirksamwerden der entsprechenden Tensorkomponenten können entweder die Brechzahl des Materials selbst und/oder die Doppelbrechung des Materials geändert werden. Für eine bestimmte lineare Polarisation des Lichts reduziert sich nÿ auf den wirkenden Brechungsindex n.By taking effect of the corresponding tensor components, either the refractive index of the material itself and / or the birefringence of the material can be changed. For a certain linear polarization of light, n ÿ reduces to the effective refractive index n.
Phasenmodulation bedeutet, daß die Phasenlage des geführten Modus durch Änderung seiner Ausbreitungskonstanten, d. h. seiner effektiven Brechzahl Neff entsprechend der FormelPhase modulation means that the phase position of the guided mode by changing its propagation constant, ie its effective refractive index N eff according to the formula
wellenlängenabhängig geändert wird, wobei L die Einwirkungslänge des elektrischen Feldes auf den EOBSW bezeichnet, die im allgemeinen die wirksame Elektrodenlänge ist. Ferner giltis changed depending on the wavelength, where L is the exposure length of the electrical Field labeled on the EOBSW, which is generally the effective electrode length is. Furthermore applies
Δn≈ΔNeff.Δn≈ΔN eff .
Amplitudenmodulation bzw. Intensitätsmodulation im EOBSW (cut-off-Modulation) bedeutet, daß die für die Wellenleitung notwendige Brechzahlerhöhung n₂ - ns soweit verringert wird, daß die Dämpfung des Wellenleitermodus stark anwächst und im Extremfall kein Wellenleitermodus mehr ausbreitungsfähig ist. Somit kann die Intensität des Lichts am Ausgang des EOBSW zwischen Null und einem Maximalwert eingestellt werden. Amplitude modulation or intensity modulation in the EOBSW (cut-off modulation) means that the increase in refractive index n₂ - n s necessary for the waveguide is reduced to such an extent that the attenuation of the waveguide mode increases strongly and, in extreme cases, no waveguide mode can be propagated. The intensity of the light at the output of the EOBSW can thus be set between zero and a maximum value.
Polarisationsmodulation bedeutet, daß eine aufgrund des o.g. Effekts induzierte Doppelbrechungsänderung eine Änderung des Polarisationszustandes des geführten Lichts bewirkt.Polarization modulation means that due to the above Effect induced Birefringence change is a change in the polarization state of the guided Light effects.
Bei allen genannten Modulationsarten verliert der Streifen-Wellenleiter seine Eigenschaft nicht, Wellenlängen eines breiten Spektralbereiches einmodig zu führen.With all the types of modulation mentioned, the strip waveguide loses its Does not have the property of guiding wavelengths of a wide spectral range in a single mode.
Bei Nutzung der vorgenannten Prinzipien kann Licht des gesamten Spektrums des sichtbaren Lichts durch einen einzigen EOBSW einmodig geführt und moduliert werden.Using the aforementioned principles, light from the entire spectrum of the visible light is guided and modulated by a single EOBSW will.
Auch in anderen Wellenlängenbereichen ist eine gleichzeitige einmodige Führung von elektromagnetischer Strahlung mehrerer Wellenlängen innerhalb eines nutzbaren Wellenlängenbereiches von einigen 100 nm in dem EOBSW möglich. Die Eigenschaften des EOBSW erlauben eine Verwendung beispielsweise zum Zwecke der Meßtechnik, Sensorik, Photometrie und Spektroskopie, z. B. unter Ausnutzung interferometrischer Verfahren, wodurch die Grundlage für eine neue mikrosystemtechnische Bauelementefamilie gegeben ist.Simultaneous single-mode guidance is also required in other wavelength ranges electromagnetic radiation of several wavelengths within one usable Wavelength range of a few 100 nm possible in the EOBSW. The Properties of the EOBSW permit use, for example, for the purpose measurement technology, sensors, photometry and spectroscopy, e.g. B. taking advantage interferometric method, creating the basis for a new microsystem components family is given.
Der erfindungsgemäße EOBSW bietet folgende Vorteile:The EOBSW according to the invention offers the following advantages:
- - einmodige breitbandige Übertragung von Licht;- single-mode broadband transmission of light;
- - In technischem Sinne effektive Modulierbarkeit und/oder Schaltbarkeit des Lichts bis in den GHz-Bereich (nach dem derzeitigen Stand der Technik);- Technically effective modulation and / or switchability of the light up to the GHz range (according to the current state of the art);
- - je nach Erfordernis ist die Auswahl einer wellenlängenabhängigen Modulationsanordnung oder einer wellenlängenunabhängigen Modulationsanordnung (z. B. Elektroabsorptionsmodulation, Modulation der Lichtquelle, Graukeil) möglich;- Depending on the requirement, the selection of a wavelength-dependent Modulation arrangement or a wavelength-independent Modulation arrangement (e.g. electro absorption modulation, modulation of the Light source, gray wedge) possible;
- - niedrige elektrooptische Modulationsspannungen (einige Volt), im Vergleich zur volumenoptischen Pockels- oder Kerr-Zelle (einige 100 Volt), damit gute Kombinationsmöglichkeiten mit Verfahren, Strukturen und Bauelementen der Mikroelektronik;- Low electro-optical modulation voltages (a few volts) compared to the volume-optical Pockels or Kerr cell (some 100 volts), so good Combination options with processes, structures and components of the Microelectronics;
- - bei Einsatz von KTP als Substratmaterial sind hohe optische Leistungsdichten ohne störende Phasenänderungen im EOBSW führbar (hohe Beständigkeit des Materials gegen lichtinduzierte Brechungsindexänderung).- When using KTP as substrate material, high optical power densities are without disturbing phase changes in EOBSW feasible (high durability of the Material against light-induced change in refractive index).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Es zeigen:The invention is described below with reference to figures. Show it:
Fig. 1: Darstellung der Struktur und des Brechzahlverlaufes in einem Ti : LiNbO₃-Streifen-Wellenleiter, Fig. 1: Representation of the structure and the refractive index course in a Ti: LiNbO₃ strip-waveguides,
Fig. 2: Einmodiger Bereich des Ti : LiNbO₃-Streifen-Wellenleiters, Fig. 2: single-mode area of the Ti: LiNbO₃ strip waveguide,
Fig. 3: Darstellung der Struktur und des Brechzahlverlaufes in einem Rb : KTP-EOBSW, Fig. 3: Representation of the structure and the refractive index course in a Rb: KTP EOBSW,
Fig. 4: Einmodiger Bereich des Rb : KTP-EOBSW, Fig. 4: single-mode region of the Rb: KTP EOBSW,
Fig. 5: Anordnungen der EOBSW in oder auf dem Substratmaterial und Querschnittsformen der wellenleitenden Bereiche, FIG. 5 shows arrangements of the EOBSW in or on the substrate material and cross sectional shapes of the waveguiding regions,
Fig. 6: Rb : KTP-EOBSW mit Phasenmodulator, Fig. 6: Rb: KTP EOBSW with phase modulator,
Fig. 7: Allgemeine Darstellung des technisch relevanten Wellenlängenbereiches für die einmodige Wellenleitung in einem EOBSW, Fig. 7: General view of the technically relevant range of wavelengths for single mode waveguide in a EOBSW,
Fig. 8: Verwendungen des EOBSW als Sensor. Fig. 8: Uses of the EOBSW as a sensor.
Die Charakteristika eines bekannten Titan-eindiffundierten Streifen-Wellenleiters in LiNbO₃ werden in der Fig. 1 und in der Fig. 2 veranschaulicht.The characteristics of a known titanium-diffused strip waveguide in LiNbO₃ are illustrated in Fig. 1 and in Fig. 2.
Demgegenüber werden die Charakteristika eines erfindungsgemäßen einmodigen integriert-optischen Breitband-Streifen-Wellenleiters (EOBSW) bezüglich seiner Bandbreite anhand eines Rubidium ↔ Kalium-ionenausgetauschten Streifen- Wellenleiters in KTP in der Fig. 3 und in der Fig. 4 dargestellt. In contrast, the characteristics of a single-mode integrated optical broadband strip waveguide (EOBSW) according to the invention are shown in terms of their bandwidth using a rubidium ↔ potassium ion-exchanged strip waveguide in KTP in FIG. 3 and in FIG. 4.
In der Fig. 2 und in der Fig. 4 wurde die Darstellungsform des effektiven Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge gewählt. Jedem Wellenleitermodus kann eine effektive Brechzahl Neff zwischen n₂ und dem größeren Wert von n₁ bzw. n₃ zugeordnet werden. Der Wert von Neff ist von der Wellenlänge, den Substrat- und Wellenleiterbrechzahlen bzw. -brechzahlprofilen und der Wellenleitergeometrie abhängig. Jeder Modus mit dem Index ik (i, k 0, ganzzahlig) wird somit im Diagramm mittels seiner effektiven Brechzahl als Linie Nik dargestellt, wobei i die Ordnung der Tiefenmoden und k die Ordnung der Lateralmoden symbolisiert.In FIG. 2 and FIG. 4, the representation form of the effective refractive index was chosen as a function of the wavelength. An effective refractive index N eff between n₂ and the larger value of n₁ or n₃ can be assigned to each waveguide mode. The value of N eff depends on the wavelength, the substrate and waveguide refractive indices or refractive index profiles and the waveguide geometry. Each mode with the index ik (i, k 0, integer) is thus represented in the diagram by means of its effective refractive index as line N ik , where i symbolizes the order of the deep modes and k the order of the lateral modes.
Der Wellenleiter ist einmodig, wenn zu einer gegebenen Wellenlänge aus einem Wellenlängenbereich ein und nur ein effektiver Brechungsindex zuordenbar ist. Für eine, technisch gesehen, ausreichende Führung des Lichts muß der effektive Brechungsindex des jeweiligen Modus mindestens 5 × 10-5 über n₁ und/oder n₃ liegen. Die Bandbreite läßt sich somit direkt ablesen.The waveguide is single-mode if one and only one effective refractive index can be assigned to a given wavelength from a wavelength range. For a technically sufficient guidance of the light, the effective refractive index of the respective mode must be at least 5 × 10 -5 above n 1 and / or n 3. The bandwidth can thus be read directly.
Die Fig. 1 und 2 erläutern zunächst die Verhältnisse am Beispiel eines Titan eindiffundierten Streifen-Wellenleiters. Figs. 1 and 2 first illustrate the conditions at the example of a titanium-diffused waveguide strip.
Fig. 1 zeigt einen Streifen-Wellenleiter 2 in einem Substratmaterial 1. Fig. 1 shows a strip waveguide 2 in a substrate material 1.
Zur Herstellung des herkömmlichen Streifen-Wellenleiters wird in Lithiumniobat (LiNbO₃) eine Titaneindiffusion durchgeführt (R. V. Schmidt, I.P. Kaminow, Appl. Phys. Lett., Vol. 25 (1974), No. 8, pp. 458-460). Dazu wird auf die Substratoberfläche ein Titanstreifen 11 aufgesputtert. Bei Temperaturen größer als 950°C diffundiert das Titan ein. In lateraler Richtung ist die Diffusionskonstante ca. doppelt so groß wie in Tiefenrichtung, deshalb verbreitert sich der Streifen stark. Das Brechzahlprofil erhält nach der Diffusionszeit td und bei der Ausgangsstreifenbreite w eine Form, die durch die nachfolgenden Formeln beschrieben wird. To produce the conventional strip waveguide, a titanium indiffusion is carried out in lithium niobate (LiNbO₃) (RV Schmidt, IP Kaminow, Appl. Phys. Lett., Vol. 25 (1974), No. 8, pp. 458-460). For this purpose, a titanium strip 11 is sputtered onto the substrate surface. At temperatures higher than 950 ° C, the titanium diffuses in. In the lateral direction, the diffusion constant is approximately twice as large as in the depth direction, which is why the streak widens considerably. After the diffusion time t d and at the initial strip width w, the refractive index profile is given a form which is described by the formulas below.
Titan-eindiffundierte Streifen-Wellenleiter sind nicht in der Lage, Licht einer Bandbreite von mehreren 100 nm einmodig zu führen. Der Wellenleiter 2 ist als geometrisch wenig begrenzter Graben mit der Breite a und der Tiefe t ausgebildet.Titanium-diffused strip waveguides are not able to guide light with a bandwidth of several 100 nm in one mode. The waveguide 2 is designed as a geometrically limited trench with the width a and the depth t.
Der Graben hat eine Brechzahlverteilung nw = f(x, y), mit der Oberflächenbrechzahl n₂ = nw (x′′′ = 0, y′′′ = 0), die gegenüber der Brechzahl n₁ des umgebenden Substratmaterials erhöht ist. Die Diagramme in Fig. 1 zeigen den qualitativen Verlauf der Brechzahl in x-Richtung und in y-Richtung. Typisch ist der stetige Übergang des Brechzahlverlaufes in der x-Richtung (dargestellt ist die Richtung x′′) und in der y-Richtung (dargestellt ist die Richtung y′′′).The trench has a refractive index distribution n w = f (x, y), with the surface refractive index n₂ = n w (x ′ ′ ′ = 0, y ′ ′ ′ = 0), which is higher than the refractive index n₁ of the surrounding substrate material. The diagrams in FIG. 1 show the qualitative course of the refractive index in the x direction and in the y direction. Typical is the continuous transition of the refractive index in the x direction (the direction x '' is shown) and in the y direction (the direction y '''is shown).
Fig. 2 zeigt den einmodigen Bereich in einem Titan-eindiffundierten Streifen- Wellenleiter in LiNbO₃. Die Kurven stellen den effektiven Brechungsindex für Z-pola risiertes Licht (Neff, Z, Z-kristallographische Z-Achse) des Grundmodus N₀₀ und des 1. Modus in lateraler Richtung N₀₁ dar. Als Diffusionsquelle dient ein w = 3,0 µm breiter, 15 nm dicker, gesputterter Titan-Streifen. Die Diffusionstemperatur beträgt 1000°C, die Diffusionszeit 3 Stunden. Das Verhältnis der Diffusionskonstanten der Titan-Ionen im LiNbO₃ beträgt Fig. 2 shows the single-mode area in a titanium-diffused strip waveguide in LiNbO₃. The curves represent the effective refractive index for Z-polarized light (N eff, Z , Z-crystallographic Z-axis) of the basic mode N₀₀ and the 1st mode in the lateral direction N₀₁. A w = 3.0 µm is used as the diffusion source , 15 nm thick, sputtered titanium strip. The diffusion temperature is 1000 ° C, the diffusion time 3 hours. The ratio of the diffusion constants of the titanium ions in LiNbO₃ is
Dx/Dy = 2.D x / D y = 2.
Das Tiefenprofil berechnet sich nachThe depth profile is calculated
nw = n₁ + (n₂ - n₁) * exp(- (y′′′)²/ay²),n w = n₁ + (n₂ - n₁) * exp (- (y ′ ′ ′) ² / a y ²),
das laterale Brechzahlprofil berechnet sich nachthe lateral refractive index profile is calculated
nw = n₁ + (n₂ - n₁) * 0,5[erf( (2x′′′ + w)/2ax) - erf( (2x′′′ - w)/2ax)].n w = n₁ + (n₂ - n₁) * 0.5 [erf ((2x ′ ′ ′ + w) / 2a x ) - erf ((2x ′ ′ ′ - w) / 2a x )].
Hierbei ist ax = 2(Dx td)½Here a x = 2 (D x t d ) ½
und entspricht der Breite a/2 in Fig. 1, weiterhin istand corresponds to the width a / 2 in Fig. 1, continues to be
ay = 2(Dy td)½a y = 2 (D y t d ) ½
und entspricht der Tiefe t in Fig. 1 und beträgt 2 µm. Bei λ = 500 nm beträgt n₁ = 2,2492; n₂ - n₁ = 0,0080; die Dispersion des Substratindex n₁ ist kleiner Null. and corresponds to the depth t in Fig. 1 and is 2 microns. At λ = 500 nm, n₁ = 2.2492; n₂ - n₁ = 0.0080; the dispersion of the substrate index n 1 is less than zero.
Der Wert td ist die Diffusionszeit, erf die Fehlerfunktion (vgl. J. Ctyroky, M. Hofman, J. Janta, J. Schröfel, "3-D Analysis of LiNbO₃: Ti Channel Waveguides and Directional Couplers", IEEE J. of Quantum Electron., Vol. QE-20 (1984), No. 4, pp. 400-409). Der beschriebene Streifen-Wellenleiter führt im Bereich von 490 nm bis 620 nm - in technisch effizientem Sinne - ausschließlich den Grundmodus, d. h. die Bandbreite beträgt Aλ = 130 nm. Die effektiven Brechzahlen wurden mit der Effektiven- Index-Methode (G.B. Hocker, W.K. Burns "Mode dispersion in diffused channel waveguides by the effective index method", Appl. Optics, Vol. 16 (1977), No. 1, pp. 113-118) berechnet.The value t d is the diffusion time, experience the error function (cf. J. Ctyroky, M. Hofman, J. Janta, J. Schröfel, "3-D Analysis of LiNbO₃: Ti Channel Waveguides and Directional Couplers", IEEE J. of Quantum Electron., Vol. QE-20 (1984), No. 4, pp. 400-409). The strip waveguide described leads in the range from 490 nm to 620 nm - in a technically efficient sense - exclusively the basic mode, ie the bandwidth is Aλ = 130 nm. The effective refractive indices were determined using the effective index method (GB Hocker, WK Burns "Mode dispersion in diffused channel waveguides by the effective index method", Appl. Optics, Vol. 16 (1977), No. 1, pp. 113-118).
Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen einmodigen integriert-optischen Breitband- Streifen-Wellenleiter (EOBSW) 2 in dem Substratmaterial 1, im Beispiel KTiOPO₄ (KTP). (M. Rottschalk, J.-P. Ruske, K. Hornig, A. Rasch, "Fabrication and Characterization of Singlemode Channel Waveguides and Modulators in KTiOPO₄ for the Short Visible Wavelength Region", SPIE 2213, International Symposium on Integrated Optics, (1994), pp. 152-163). Fig. 3 shows the single-mode integrated-optical broadband invention stripe waveguide (EOBSW) 2 in the substrate material 1, in the example KTiOPO₄ (KTP). (M. Rottschalk, J.-P. Ruske, K. Hornig, A. Rasch, "Fabrication and Characterization of Singlemode Channel Waveguides and Modulators in KTiOPO₄ for the Short Visible Wavelength Region", SPIE 2213, International Symposium on Integrated Optics, ( 1994), pp. 152-163).
Das Substratmaterial 1 wird mit einer Maske versehen, die nur an der zukünftigen Wellenleiterposition einen Spalt frei läßt. Der Ionenaustausch erfolgt in einer Schmelze aus Rubidiumnitrat mit Anteilen von Bariumnitrat und Kaliumnitrat. Eine Diffusion erfolgt vorwiegend nur in der Tiefenrichtung, wobei sich nachfolgend beschriebenes Brechzahlprofil ausbildet. Lateral folgt daraus ein Stufenprofil der Brechzahl. Die Herstellbarkeit scharf begrenzter schmaler Strukturen ist gewährleistet, da die Übertragung von der Maske in den Wellenleiter infolge der nahezu fehlenden Seitendiffusion im Verhältnis 1 : 1 erfolgt.The substrate material 1 is provided with a mask which leaves a gap only at the future waveguide position. The ion exchange takes place in a melt of rubidium nitrate with parts of barium nitrate and potassium nitrate. Diffusion takes place predominantly only in the depth direction, the refractive index profile described below being formed. This results laterally in a step profile of the refractive index. The producibility of sharply delimited narrow structures is ensured, since the transfer from the mask into the waveguide takes place in a ratio of 1: 1 due to the almost lack of side diffusion.
Die Dispersion im Rb : KTP-Wellenleiter ist d(n₂ - n₁)/dλ 0. Diese Dispersion begünstigt die Einmodigkeit des Wellenleiters in einem vergleichsweise breiten Wellenlängenbereich Δλ. Dieser EOBSW 2 ist über einen Wellenlängenbereich von ca. 400 nm im Bereich des sichtbaren Lichts einmodig. The dispersion in the Rb: KTP waveguide is d (n₂ - n₁) / dλ 0. This dispersion favors the unimodality of the waveguide in a comparatively wide wavelength range Δλ. This EOBSW 2 is single-mode in the visible light range over a wavelength range of approx. 400 nm.
Der EOBSW 2 ist als geometrisch scharf begrenzter Graben mit der Breite a und der Tiefe t ausgebildet. Der Graben hat eine Brechzahlverteilung nw = f(x, y), mit der Oberflächenbrechzahl n₂ = nw (-a x′′ 0, y′′ = 0), die gegenüber der Brechzahl n₁ des umgebenden Substratmaterials erhöht ist.The EOBSW 2 is designed as a geometrically sharply defined trench with the width a and the depth t. The trench has a refractive index distribution n w = f (x, y), with the surface refractive index n₂ = n w (-ax ′ ′ 0, y ′ ′ = 0), which is higher than the refractive index n₁ of the surrounding substrate material.
Die Diagramme in Fig. 3 zeigen den qualitativen Verlauf der Brechzahl in x-Richtung und in y-Richtung. Typisch ist der scharfe Sprung des Brechzahlverlaufes in der x- Richtung (dargestellt ist die Richtung x′′) und der vergleichsweise starke Anstieg der Brechzahl von n₁ auf n₂ in der y-Richtung (dargestellt ist die Richtung y′).The diagrams in FIG. 3 show the qualitative course of the refractive index in the x direction and in the y direction. Typical is the sharp jump in the refractive index curve in the x direction (the direction x '' is shown) and the comparatively strong increase in the refractive index from n₁ to n₂ in the y direction (the direction y 'is shown).
Fig. 4 zeigt die Charakteristik des erfindungsgemäßen EOBSW in KTP. Fig. 4 shows the characteristics of the invention EOBSW in KTP.
Die Kurven stellen den effektiven Brechungsindex für Z-polarisiertes Licht (Neff, Z, Z-kristallographische Z-Achse) des Grundmodus N₀₀ und des 1. Modus in lateraler Richtung N₀₁ dar. Bei λ = 500 nm beträgt n₁ = 1,9010; die Dispersion des Substratindex n₁ ist kleiner Null (beschrieben in L.P. Shi, Application of crystals of the KTiOPO₄-type in the field of integrated optics, Dissertation Univ. Köln (1992)). Die effektiven Brechzahlen wurden mit der Effektiven-Index-Methode berechnet. Weiterhin gilt n₂ - n₁ = 0,0037 = const. für den gesamten Wellenlängenbereich. Für die Diffusionskonstanten giltThe curves represent the effective refractive index for Z-polarized light (N eff, Z , Z-crystallographic Z-axis) of the basic mode N₀₀ and the 1st mode in the lateral direction N₀₁. At λ = 500 nm, n₁ = 1.9010; the dispersion of the substrate index n 1 is less than zero (described in LP Shi, Application of crystals of the KTiOPO₄-type in the field of integrated optics, dissertation Univ. Cologne (1992)). The effective refractive indices were calculated using the effective index method. Furthermore, n₂ - n₁ = 0.0037 = const. for the entire wavelength range. The following applies to the diffusion constants
Dx/Dy ≈ 10-3.D x / D y ≈ 10 -3 .
Das laterale Brechzahlprofil ist ein Stufenprofil (vgl. Fig. 3) mit der Breite a = 4,0 µm. Das Tiefenprofil errechnet sich nachThe lateral refractive index profile is a step profile (cf. FIG. 3) with the width a = 4.0 μm. The depth profile is calculated
nw = n₁ + (n₂ - n₁) * erfc(-y′′/t)n w = n₁ + (n₂ - n₁) * erfc (-y ′ ′ / t)
mit t = 4,0 µm, erfc = komplementäre Fehlerfunktion. Der im Beispiel beschriebene EOBSW führt im Bereich von 470 nm bis 870 nm, in technisch effizientem Sinne, ausschließlich den Grundmodus, d. h. die Bandbreite beträgt Δλ = 400 nm. with t = 4.0 µm, erfc = complementary error function. The one described in the example EOBSW leads in the range from 470 nm to 870 nm, in a technically efficient sense, only the basic mode, d. H. the bandwidth is Δλ = 400 nm.
Die Herstellung des im Beispiel beschriebenen EOBSW ist an sich bekannt. Der Wellenleiter wird in einem Z-geschnittenen Kaliumtitanylphosphat-Substratmaterial (KTiOPO₄, KTP) durch Ionenaustausch Rubidium gegen Kalium hergestellt. ( J. D. Bierlein, A. Ferretti, L.H. Brixner, W.Y. Hsu, "Fabrication and characterization of optical waveguides in KTiOPO₄", Appl. Phys. Lett., Vol. 50 (1987), No. 8, pp. 1216-1218). Z-geschnitten heißt, daß die Kristallebene, in der der Wellenleiter erzeugt wird, senkrecht zur kristallographischen Z-Achse liegt.The production of the EOBSW described in the example is known per se. Of the Waveguide is made in a Z-cut potassium titanyl phosphate substrate material (KTiOPO₄, KTP) produced by ion exchange rubidium for potassium. (J.D. Bierlein, A. Ferretti, L.H. Brixner, W.Y. Hsu, "Fabrication and characterization of optical waveguides in KTiOPO₄ ", Appl. Phys. Lett., Vol. 50 (1987), No. 8, pp. 1216-1218). Z-cut means that the crystal plane in which the waveguide is created is perpendicular to the crystallographic Z axis.
Die kristallographische Z-Achse entspricht in Fig. 3 der y-Achse. Es wird genutzt, daß die Diffusion beim Ionenaustausch im wesentlichen nur in Tiefenrichtung auftritt (J.D. Bierlein, H. Vanherzeele, "Potassium titanyl phosphate: properties and new applications", J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 6 (1989), No. 4, pp. 622-633).The crystallographic Z axis corresponds to the Y axis in FIG. 3. It is used that the diffusion during ion exchange occurs essentially only in the depth direction (JD Bierlein, H. Vanherzeele, "Potassium titanyl phosphate: properties and new applications", J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 6 (1989) , No. 4, pp. 622-633).
Fig. 5 zeigt mögliche Querschnittsformen des EOBSW in oder auf einem Substratmaterial: Fig. 5 shows possible cross sectional shapes of the EOBSW in or on a substrate material:
Fig. 5a zeigt in das Substratmaterial 1 eingebettete Wellenleiter 2, als rechteckförmigen, trapezförmigen oder dreieckförmigen Graben, FIG. 5a shows in the substrate material 1 buried waveguides 2, as a rectangular, trapezoidal or triangular shaped trench,
Fig. 5b zeigt einen im Substratmaterial 1 vergrabenen Wellenleiter 2, Fig. 5b shows a buried in the substrate material 1 waveguide 2
Fig. 5c zeigt auf das Substratmaterial 1 aufgesetzte Wellenleiter 2, als rechteckförmigen, trapezförmigen oder dreieckförmigen Kanal, Fig. 5c shows the substrate material 1 patch waveguide 2, as a rectangular, trapezoidal or triangular channel,
Fig. 5d zeigt streifenbelastete Wellenleiter 2, wobei ein rechteckförmiger, trapezförmiger oder dreieckförmiger Streifen 5 die laterale Führung des Lichts gewährleistet, Fig. 5d shows stripe-loaded waveguide 2, wherein a rectangular, trapezoidal or triangular strip 5 ensures the lateral guidance of the light,
Fig. 5e zeigt Rippen- oder Firstwellenleiter und Fig. 5e shows rib or ridge waveguide and
Fig. 5f zeigt inverse Rippen- oder inverse Firstwellenleiter. Fig. 5f shows inverse rib or inverse ridge waveguide.
Für alle Beispiele in Fig. 5 werden die optischen Parameter so eingestellt, daß ein EOBSW entsteht, wie er in der Beschreibung zu den Fig. 3 und 4 für den Fall von Rb : KTP erläutert wurde. For all examples in FIG. 5, the optical parameters are set in such a way that an EOBSW is produced, as was explained in the description for FIGS . 3 and 4 for the case of Rb: KTP.
Fig. 6 zeigt die Verwendung eines erfindungsgemäßen EOBSW mit einer Elektrodenstruktur zur Phasenmodulation des im EOBSW 2 geführten Lichts. Die Möglichkeit der Modulierbarkeit des Lichts ist durch die Verwendung eines Substratmaterials erfüllt, das eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Phase eines Eingangssignals zuläßt. Das Eingangssignal ist Licht einer Wellenlänge λ oder mehrerer diskreter Wellenlängen λi und/oder eines oder mehrerer Wellenlängenbereiche Δλi. Fig. 6 shows the use of a EOBSW according to the invention with an electrode structure for phase modulation of the guided light in EOBSW 2. The possibility of modulating the light is fulfilled by the use of a substrate material which allows the phase of an input signal to be influenced. The input signal is light of a wavelength λ or a plurality of discrete wavelengths λ i and / or one or more wavelength ranges Δλ i .
KTiOPO₄ bietet durch die Verwendung seiner hohen linearen elektrooptischen Koeffizienten (M. Rottschalk, J.-P. Ruske, A. Rasch: "Electrooptic Modulators in KTiOPO₄ for the Short Visible Wavelength Region" in Journal of Optical Communications registered for publication under JOC≶459, 1994) die Möglichkeit der Anwendung der elektrooptischen Phasenmodulation.KTiOPO₄ offers through the use of its high linear electro-optical Coefficients (M. Rottschalk, J.-P. Ruske, A. Rasch: "Electrooptic Modulators in KTiOPO₄ for the Short Visible Wavelength Region "in Journal of Optical Communications registered for publication under JOC≶459, 1994) the possibility of Application of electro-optical phase modulation.
Auf einem KTP-Substrat 1 sind der EOBSW 2 und Elektroden 4 so angeordnet, daß ein elektrooptischer Modulator gebildet ist. Licht einer Lichtquelle 3 wird in den Eingang E des EOBSW 2 eingekoppelt. Eine an die Elektroden 4 angelegte Spannung U steuert die Phase des Lichts, das am Ausgang A zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht. Der EOBSW hat die Eigenschaft, Licht eines breiten Spektralbereiches (Δλ < 130 nm, Angabe gilt für sichtbares Licht) einmodig zu führen.The EOBSW 2 and electrodes 4 are arranged on a KTP substrate 1 in such a way that an electro-optical modulator is formed. Light from a light source 3 is coupled into the input E of the EOBSW 2 . A voltage U applied to the electrodes 4 controls the phase of the light which is available at output A for further use. The EOBSW has the property of guiding light in a wide spectral range (Δλ <130 nm, information applies to visible light) in one mode.
Der EOBSW in Fig. 6 wurde in einem Z-geschnittenen Kaliumtitanylphosphat- Substratmaterial (KTiOPO₄, KTP) durch Ionenaustausch (Rubidium gegen Kalium) hergestellt.The EOBSW in Fig. 6 was made in a Z-cut potassium titanyl phosphate substrate material (KTiOPO₄, KTP) by ion exchange (rubidium for potassium).
Um den höchsten Koeffizienten r₃₃₃ des linearen elektrooptischen Tensors rÿk nutzen zu können, ist eine Elektrodenanordnung gemäß Fig. 6 erforderlich, bei der auf der Substratoberfläche eine erste Elektrode flächig neben dem Wellenleitergraben und eine zweite Elektrode mit dem EOBSW 2 überlappend aufgebracht sind. In order to be able to use the highest coefficient r₃₃₃ of the linear electro-optical tensor r ÿk , an electrode arrangement according to FIG. 6 is required, in which a first electrode is applied to the surface of the substrate next to the waveguide trench and a second electrode overlapping with the EOBSW 2 .
Mit Hilfe der an die Elektroden angelegten Spannung U werden im Wellenleiterbereich Komponenten eines elektrischen Feldes EZ in Z-Richtung (Z - Kristallographische Z- Achse, entspricht der y-Richtung in Fig. 3) erzeugt.With the aid of the voltage U applied to the electrodes, components of an electric field E Z in the Z direction (Z - crystallographic Z axis, corresponds to the y direction in FIG. 3) are generated in the waveguide region.
Entsprechend der GleichungenAccording to the equations
und bewirken diese eine Phasenänderung, die sich wie folgt beschreiben läßt:and these cause a phase change which is as follows lets describe:
mit r₃₃₃ als dem linearen elektrooptischen Koeffizienten für Z-polarisiertes Licht und einem elektrischen Feld in Z-Richtung, Γ dem Überlappungsfaktor zwischen dem elektrischen Feld und dem geführten optischen Modus im Streifen-Wellenleiter, d dem Elektrodenabstand und L der wirksamen Elektrodenlänge.with r₃₃₃ as the linear electro-optical coefficient for Z-polarized light and an electric field in the Z direction, Γ the overlap factor between the electric field and the guided optical mode in the strip waveguide, ie the Electrode distance and L the effective electrode length.
Ferner giltFurthermore applies
Δn₃₃ ≈ ΔNeff, Z.Δn₃₃ ≈ ΔN eff, Z.
Für eine gegebene Steuerspannung U ist für verschiedene Wellenlängen λi die Phasenänderung Δϕi verschieden.For a given control voltage U, the phase change Δϕ i is different for different wavelengths λ i .
In einem ersten Fall wird Licht einer diskreten Wellenlänge λ₁ am Eingang E des EOBSW 2 eingekoppelt. Dieses Licht wird in der Phase moduliert. Die Wirkung entspricht derjenigen in einem bekannten Streifen-Wellenleiter.In a first case, light of a discrete wavelength λ 1 is coupled in at the input E of the EOBSW 2 . This light is modulated in the phase. The effect corresponds to that in a known strip waveguide.
In einem zweiten Fall werden mindestens zwei diskrete Wellenlängen λ₁ und λ₂ in den Eingang E des EOBSW 2 eingekoppelt. Entsprechend der angelegten Modulationsspannung ist aufgrund der oben angegebenen Beziehung die Phasenänderung Δϕ₁ ungleich der Phasenänderung Δϕ₂. Dabei verliert der EOBSW 2 die Eigenschaft nicht, Licht einmodig zu führen. In a second case, at least two discrete wavelengths λ₁ and λ₂ are coupled into the input E of the EOBSW 2 . According to the applied modulation voltage, the phase change Δϕ₁ is not equal to the phase change Δϕ₂ due to the relationship given above. The EOBSW 2 does not lose the property of guiding light in one mode.
Die Modulation ist mit den heutigen technischen Gegebenheiten bis zu Frequenzen im GHz-Bereich möglich. Die Steuerspannung U zur vollständigen Durchmodulation liegt bei Elektrodenlängen im Millimeter-Bereich und Elektrodenabständen im µm-Bereich zwischen 0 und etwa 4 Volt.The modulation is with today's technical conditions up to frequencies in the GHz range possible. The control voltage U for complete modulation lies with electrode lengths in the millimeter range and electrode spacing in the µm range between 0 and about 4 volts.
Fig. 7 zeigt eine allgemeine Darstellung des technisch relevanten Wellenlängenbereiches für die einmodige Wellenleitung in einem EOBSW gemäß der Ansprüche 1, 2 oder 3. Technisch relevant heißt, daß der effektive Brechungsindex Neff mindestens 5×10-5 über ns liegen muß, wobei ns den jeweils größeren Wert des Substratindex n₁ bzw. des Superstratindex n₃ bezeichnet, um eine hinreichend geringe Wellenleiterdämpfung, z. B. 1 dB/cm, zu gewährleisten. Zu jeder gegebenen Wellenlänge im Bereich zwischen λ und λ+Δλ ist ein und nur ein effektiver Brechungsindex, d, h. N₀₀, zuordenbar. Fig. 7 shows a general representation of the technically relevant wavelength range for the single-mode waveguide in a EOBSW according to claims 1, 2 or 3. technically relevant means that the effective refractive index N eff of at least 5 x 10 -5 must be greater than n s, wherein n s denotes the larger value of the substrate index n₁ and the superstrate index n₃, respectively, in order to have a sufficiently low waveguide attenuation, e.g. B. 1 dB / cm to ensure. At any given wavelength in the range between λ and λ + Δλ there is one and only one effective refractive index, i.e. N₀₀, assignable.
Der Bereich der Einmodigkeit gilt bis zum, technisch gesehen, effizienten Anschwingen des ersten Modus in lateraler Richtung N₀₁ oder des ersten Modus in Tiefenrichtung N₁₀.The area of single mode applies until, from a technical point of view, efficient start-up the first mode in the lateral direction N₀₁ or the first mode in the depth direction N₁₀.
Fig. 8 zeigt Beispiele zur Verwendung des EOBSW 2 als Sensor. Fig. 8 shows examples of using the EOBSW 2 as a sensor.
Gemäß Fig. 8a wird die absorbierende Wirkung eines Meßmediums (gasförmig, flüssig, fest) auf das evaneszente Feld der im EOBSW 2 geführten Welle gemessen und ausgewertet. Hierzu wird die Oberfläche des Substratmaterials 1, die mit dem Meßmedium in Berührung kommt, mit Ausnahme der Fläche des Meßfensters 6, mit einer Pufferschicht 7 (z. B. SiO₂) abgedeckt. Damit ist das evaneszente Feld nur im Bereich des Meßfensters 6 zugänglich. Das Meßfenster 6 läßt den EOBSW 2 nur in einem Bereich mit einer definierten Länge frei.According to FIG. 8a, the absorbing effect of a measuring medium (gaseous, liquid, solid) on the evanescent field of the wave guided in EOBSW 2 is measured and evaluated. For this purpose, the surface of the substrate material 1 , which comes into contact with the measuring medium, with the exception of the surface of the measuring window 6 , is covered with a buffer layer 7 (z. B. SiO₂). The evanescent field is thus only accessible in the area of the measuring window 6 . The measurement window 6 leaves the EOBSW 2 free only in an area with a defined length.
Am Eingang E des EOBSW 2 wird Licht eingekoppelt. Am Ausgang A des EOBSW 2 steht durch das Meßmedium beeinflußtes Licht zur Auswertung zur Verfügung. Zum Beispiel erfolgt eine photometrische Messung mit einem Empfänger 8. Light is coupled in at input E of EOBSW 2 . At output A of EOBSW 2 , light influenced by the measuring medium is available for evaluation. For example, a photometric measurement is carried out with a receiver 8 .
Der EOBSW 2 hat die Eigenschaft, Lichtanteile verschiedener Wellenlängen λi aus einem breiten Wellenlängenspektrum zu führen. Im Gegensatz zu bekannten Streifen- Wellenleitern kann die Meßwellenlänge dem zu untersuchenden Medium und dem zu untersuchenden Stoffparameter in einem vergleichsweise sehr großen Wellenlängenbereich angepaßt werden. Messungen können an dem Meßmedium unmittelbar bei den verschiedenen Wellenlängen λi vorgenommen werden. Vorteilhafterweise können die Lichtanteile im EOBSW durch einen Amplitudenmodulator (nicht dargestellt), der mit dem EOBSW korrespondiert, moduliert werden.The EOBSW 2 has the property of guiding light components of different wavelengths λ i from a wide wavelength spectrum. In contrast to known strip waveguides, the measuring wavelength can be adapted to the medium to be examined and the substance parameter to be examined in a comparatively very large wavelength range. Measurements can be made on the measuring medium directly at the different wavelengths λ i . The light components in the EOBSW can advantageously be modulated by an amplitude modulator (not shown) which corresponds to the EOBSW.
Durch die Absorption des Meßmediums selbst oder durch Änderung der Oberflächenstreuung kommt es zu einer Änderung der Wellenleiterdämpfung. Es wird ausgenutzt, daß bei geführten Wellen ein Teil der elektrischen bzw. magnetischen Feldverteilung außerhalb des Streifen-Wellenleiters selbst geführt wird (evaneszentes Feld). Diese Feldanteile sind also von außerhalb des Streifen-Wellenleiters erreichbar. Wenn sich auf dem Streifen-Wellenleiter ein absorbierendes Medium befindet, wird also das evaneszente Feld selbst, je nach Absorption, gedämpft oder die Oberflächenstreuung des Streifen-Wellenleiters durch das Aufbringen eines nicht unbedingt absorbierenden Mediums auf das Meßfenster verändert.By the absorption of the measuring medium itself or by changing the Surface scattering leads to a change in the waveguide attenuation. It will exploited that part of the electrical or magnetic in guided waves Field distribution outside the strip waveguide itself (evanescent Field). These field components can therefore be reached from outside the strip waveguide. If there is an absorbing medium on the strip waveguide that is, the evanescent field itself, depending on the absorption, damped or the Surface scatter of the strip waveguide by not applying one necessarily absorbent medium changed on the measurement window.
Beides hat zur Folge, daß sich die Wellenleiterdämpfung ändert, was mit der Photometeranordnung meßbar ist.Both have the consequence that the waveguide attenuation changes, which with the Photometer arrangement is measurable.
Weiterhin ändert sich die Ausbreitungskonstante des geführten Modus auf Grund des Einflusses des Meßmediums, was mit einer Interferometeranordnung meßbar ist, z. B. mittels eines Michelson-Interferometers nach Fig. 8b.Furthermore, the propagation constant of the guided mode changes due to the influence of the measuring medium, which can be measured with an interferometer arrangement, e.g. B. using a Michelson interferometer according to Fig. 8b.
Das Substrat 1 mit dem EOBSW 2 befindet sich im Lichtweg zwischen dem Strahlteiler 10 und dem Reflektor 9. The substrate 1 with the EOBSW 2 is located in the light path between the beam splitter 10 and the reflector 9 .
Eine weitere Realisierungsvariante besteht darin, daß das Meßfenster 6 mit einer auf physikalische, chemische oder biologische äußere Einflüsse reagierenden Substanz beschichtet ist, die bei Einwirken des äußeren Einflusses das Verhalten des geführten Lichts oder des Wellenleiters selbst beeinflußt.Another implementation variant is that the measuring window 6 is coated with a substance which reacts to physical, chemical or biological external influences and which influences the behavior of the guided light or the waveguide itself when the external influence acts.
Gemäß Fig. 8c wird bei dem Sensor die Reflektivität am Ausgang A des EOBSW 2 als Meßgröße ermittelt. Folgende Varianten sind vorgesehen:According to FIG. 8c, the reflectivity at the output A of the EOBSW 2 is determined as a measured variable in the sensor. The following variants are provided:
- a) das Meßmedium wirkt selbst als Reflektor 9 und ist in Kontakt oder in einem Abstand vom Wellenleiterausgang A, odera) the measuring medium itself acts as a reflector 9 and is in contact or at a distance from the waveguide output A, or
- b) der Reflektor 9 befindet sich in einem Abstand vom Wellenleiterausgang A und das Meßmedium befindet sich zwischen dem Wellenleiterausgang A und dem Reflektor 9.b) the reflector 9 is at a distance from the waveguide output A and the measuring medium is between the waveguide output A and the reflector 9 .
Bei einem geringen Abstand, z. B. im Bereich einiger Mikrometer, kann auf zusätzliche strahlformende Einrichtungen verzichtet werden.At a short distance, e.g. B. in the range of a few micrometers, can on additional beam-shaping devices are dispensed with.
Der Reflektor 9 kann mit einer reaktiven Substanz verspiegelt sein oder die reaktive Substanz ist selbst der Reflektor 9, wobei die reaktive Substanz in Abhängigkeit von dem umgebenden Meßmedium seine Reflektivität verändert.The reflector 9 can be mirrored with a reactive substance or the reactive substance itself is the reflector 9 , the reactive substance changing its reflectivity depending on the surrounding measuring medium.
Bei dieser Anordnung wird Licht mindestens einer Wellenlänge λi - aus dem möglichen breiten Spektralbereich - in den Eingang E des EOBSW 2 eingekoppelt. Am Eingang E werden über einen Strahlteiler 10 Lichtanteile des vom Meßmedium beeinflußten reflektierten und/oder des Fluoreszenzlichts gemessen.With this arrangement, light of at least one wavelength λ i - from the possible broad spectral range - is coupled into the input E of the EOBSW 2 . At the input E, 10 light components of the reflected and / or fluorescent light influenced by the measuring medium are measured via a beam splitter.
Die integriert-optische Realisierung der Meßanordnungen gemäß Fig. 8 begünstigt einen miniaturisierten Aufbau und mikrosystemtechnische Anwendungen. The integrated optical implementation of the measuring arrangements according to FIG. 8 favors a miniaturized structure and microsystem applications.
Es können kleinste Probenmengen bei hoher Meßempfindlichkeit verwendet werden da das Meßfenster 6 nur wenig breiter als der EOBSW 2 sein muß und die Länge des Meßfensters im Millimeterbereich liegen kann.The smallest sample quantities can be used with high sensitivity since the measuring window 6 only has to be a little wider than the EOBSW 2 and the length of the measuring window can be in the millimeter range.
Mit Hilfe der Meßanordnungen ist die Messung aller das Verhalten des geführten Lichts oder das Verhaltens des EOBSW 2 selbst beeinflussender physikalischer, biologischer und chemischer Größen von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern möglich.With the aid of the measuring arrangements, it is possible to measure all physical, biological and chemical quantities of gases, liquids and solids that influence the behavior of the guided light or the behavior of the EOBSW 2 itself.
Dabei ist bei einer vorgegebenen Meßanordnung, die einen EOBSW enthält, die freie Auswahl von Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen aus einem breiten Wellenlängenspektrum möglich.In this case, in the case of a predetermined measuring arrangement which contains an EOBSW, the free one Selection of wavelengths or wavelength ranges from a wide range Wavelength spectrum possible.
BezugszeichenlisteReference list
1 Substrat
2 Streifen-Wellenleiter (EOBSW)
3 Lichtquelle
4 Elektroden
5 Streifen
6 Meßfenster
7 Pufferschicht
8 Empfänger
9 Reflektor
10 Strahlteiler
11 Titanstreifen
λ Wellenlänge
λi diskrete Wellenlänge
Δλ Wellenlängenbereich für einmodigen Betrieb
ϕ Phase
Δϕ Phasenänderung
Δϕi Phasenänderung bezüglich der Wellenlänge λi
E Eingang
A Ausgang
U Steuerspannung
SE Eingangssignal
SA Ausgangssignal
a Breite der Struktur
t Tiefe (Höhe) der Struktur
w Ausgangsbreite der Diffusion
L wirksame Elektrodenlänge
d Elektrodenabstand
Dx, Dy, Dz Diffusionskonstanten
N₀₀ effektiver Brechungsindex des Grundmodus
N₀₁ effektiver Brechungsindex des 1. Modus in lateraler Richtung
N₁₀ effektiver Brechungsindex des 1. Modus in Tiefenrichtung
Neff effektiver Brechungsindex des Streifen-Wellenleitermodus
Neff, Z effektiver Brechungsindex des Z-polarisierten Modus des
Streifen-Wellenleiters
ax Zwischenwert einer Länge in x-Richtung
ay Zwischenwert einer Länge in y-Richtung
td Diffusionszeit
x-y-z Koordinatensysteme
nw Brechzahlverteilung im wellenleitenden Bereich nw = f(x, y)
n₁ Brechzahl des Substrates
n₂ Brechzahl des wellenleitenden Bereiches an der Oberfläche
n₃ Brechzahl des Superstrates
n₄ Brechzahl des Streifens
n₅ Brechzahl des Substrates falls n₁ < n₃ oder
Brechzahl des Superstrates falls n₃ < n₁
nÿ Brechzahlkomponente im Kristallmaterial 1 substrate
2 strip waveguide (EOBSW)
3 light source
4 electrodes
5 strips
6 measuring windows
7 buffer layer
8 receivers
9 reflector
10 beam splitters
11 titanium strips
λ wavelength
λ i discrete wavelength
Δλ wavelength range for single-mode operation
ϕ phase
Δϕ phase change
Δϕ i phase change with respect to the wavelength λ i
E entrance
A exit
U control voltage
S E input signal
S A output signal
a Width of the structure
t depth of the structure
w Diffusion output width
L effective electrode length
d electrode gap
D x , D y , D z diffusion constants
N₀₀ effective refractive index of the basic mode
N₀₁ effective refractive index of the 1st mode in the lateral direction
N₁₀ effective refractive index of the 1st mode in the depth direction
Neff effective refractive index of the strip waveguide mode
N eff, Z effective refractive index of the Z-polarized mode of the strip waveguide
a x intermediate value of a length in the x direction
a y Intermediate value of a length in the y direction
t d diffusion time
xyz coordinate systems
n w refractive index distribution in the waveguiding range n w = f (x, y)
n₁ refractive index of the substrate
n₂ refractive index of the waveguiding area on the surface
n₃ refractive index of the superstrate
n₄ refractive index of the strip
n₅ refractive index of the substrate if n₁ <n₃ or refractive index of the superstrate if n₃ <n₁
n ÿ refractive index component in the crystal material
Ek Elektrische Feldstärkekomponenten bezüglich der
Kristallrichtungen k
Eelektr. äußeres elektrisches Feld
rÿk Elemente des linearen elektrooptischen Tensors für das gegebene
Material
Γ Überlappungsfaktor zwischen dem äußeren elektrischen Feld der
Elektrodenanordnung und dem optischen Feld des geführten
Modus
Z kristallographische Z-Achse (oder c-Achse), entspricht der
y-KoordinateE k Electric field strength components with respect to the crystal directions k
E electr. external electric field
r ÿk elements of the linear electro-optical tensor for the given material
Γ Overlap factor between the external electrical field of the electrode arrangement and the optical field of the guided mode
Z crystallographic Z axis (or c axis), corresponds to the y coordinate
Claims (27)
- a) in einem flächenhaften Substratmaterial (1) durch ein Verfahren zur Änderung
des Brechungsindex
- aa) zweidimensional, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts (z-Achse) eine eng begrenzte, kanalförmige Struktur (Streifen-Wellenleiter 2) herstellbar ist,
- c) die Parameter Brechzahl des Substrates (n₁), Brechzahl des Superstrates (n₃) Brechzahl an der Oberfläche (n₂), Brechzahlverteilung im wellenleitenden Bereich (nw = f(x, y)), Querschnittsform (Breite (a) und Tiefe (t)) des Streifen- Wellenleiters und seine Lage im Substrat so dimensioniert sind, daß in einem großen Wellenlängenbereich (Δλ < 130 nm im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts) ein einmodiger Betrieb des Streifen-Wellenleiters (2) gewährleistet ist, d. h. zu einer gegebenen Wellenlänge (λ) aus diesem Bereich jeweils ein und nur ein effektiver Brechungsindex (Neff) zuordenbar ist.
- a) in a flat substrate material ( 1 ) by a method for changing the refractive index
- aa) a narrowly defined, channel-shaped structure (strip waveguide 2 ) can be produced in two dimensions, perpendicular to the direction of propagation of the light (z-axis),
- c) the parameters refractive index of the substrate (n₁), refractive index of the superstrate (n₃) refractive index on the surface (n₂), refractive index distribution in the waveguiding region (n w = f (x, y)), cross-sectional shape (width (a) and depth ( t)) of the strip waveguide and its position in the substrate are dimensioned in such a way that in a large wavelength range (Δλ <130 nm in the visible wavelength range of light), single-mode operation of the strip waveguide ( 2 ) is guaranteed, ie at a given wavelength (λ) from this range one and only an effective refractive index (N eff ) can be assigned.
- a) in einem flächenhaften Substratmaterial (1) durch ein Verfahren zur Änderung
des Brechungsindex
- ab) zweidimensional, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts (z-Achse) eine kanalförmige Struktur (Streifen-Wellenleiter 2) herstellbar ist, die zweidimensional nicht eng begrenzt ist, weiterhin
- b) eine Dispersion mit ns = n₁ falls n₁ < n₃ oder ns = n₃ falls n₃ <n₁, der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhöhung (n₂ - ns) vorhanden ist, wobei
- c) die Parameter Brechzahl des Substrates (n₁), Brechzahl des Superstrates (n₃) Brechzahl an der Oberfläche (n₂), Brechzahlverteilung im wellenleitenden Bereich (nw = f(x, y)), Querschnittsform (Breite (a) und Tiefe (t)) des Streifen- Wellenleiters und seine Lage im Substrat so dimensioniert sind, daß in einem großen Wellenlängenbereich (Aλ < 130 nm im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts) ein einmodiger Betrieb des Streifen-Wellenleiters (2) gewährleistet ist d. h. zu einer gegebenen Wellenlänge (λ) aus diesem Bereich jeweils ein und nur ein effektiver Brechungsindex (Neff) zuordenbar ist.
- a) in a flat substrate material ( 1 ) by a method for changing the refractive index
- ab) a channel-shaped structure (strip waveguide 2 ) can be produced in two dimensions, perpendicular to the direction of propagation of the light (z-axis), which is not narrowly limited in two dimensions
- b) a dispersion with n s = n₁ if n₁ <n₃ or n s = n₃ if n₃ <n₁, the refractive index increase (n₂ - n s ) required for waveguiding is present, where
- c) the parameters refractive index of the substrate (n₁), refractive index of the superstrate (n₃) refractive index on the surface (n₂), refractive index distribution in the waveguiding region (n w = f (x, y)), cross-sectional shape (width (a) and depth ( t)) of the strip waveguide and its position in the substrate are dimensioned such that single-mode operation of the strip waveguide ( 2 ) is ensured in a large wavelength range (Aλ <130 nm in the visible wavelength range of light), ie at a given wavelength ( λ) one from each area and only one effective refractive index (N eff ) can be assigned.
- a) in einem flächenhaften Substratmaterial (1) durch ein Verfahren zur Änderung
des Brechungsindex
- aa) zweidimensional, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts (z-Achse) eine eng begrenzte, kanalförmige Struktur (Streifen-Wellenleiter 2) herstellbar ist,
- b) weiterhin eine Dispersion mit ns = n₁ falls n₁ < n₃ oder ns = n₃ falls n₃ < n₁, der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhöhung (n₂ - ns) vorhanden ist, wobei
- c) die Parameter Brechzahl des Substrates (n₁), Brechzahl des Superstrates (n₃) Brechzahl an der Oberfläche (n₂), Brechzahlverteilung im wellenleitenden Bereich (nw = f(x, y)), Querschnittsform (Breite (a) und Tiefe (t)) des Streifen- Wellenleiters und seine Lage im Substrat so dimensioniert sind, daß in einem großen Wellenlängenbereich (Aλ < 130 nm im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts ein einmodiger Betrieb des Streifen-Wellenleiters (2) gewährleistet ist, d. h. zu einer gegebenen Wellenlänge (λ) aus diesem Bereich jeweils ein und nur ein effektiver Brechungsindex (Neff) zuordenbar ist.
- a) in a flat substrate material ( 1 ) by a method for changing the refractive index
- aa) a narrowly defined, channel-shaped structure (strip waveguide 2 ) can be produced in two dimensions, perpendicular to the direction of propagation of the light (z-axis),
- b) a dispersion with n s = n₁ if n₁ <n₃ or n s = n₃ if n₃ <n₁, the refractive index increase (n₂ - n s ) required for waveguiding is present, where
- c) the parameters refractive index of the substrate (n₁), refractive index of the superstrate (n₃) refractive index on the surface (n₂), refractive index distribution in the waveguiding region (n w = f (x, y)), cross-sectional shape (width (a) and depth ( t)) of the strip waveguide and its position in the substrate are dimensioned such that single-mode operation of the strip waveguide ( 2 ) is ensured in a large wavelength range (Aλ <130 nm in the visible wavelength range of the light, ie at a given wavelength ( λ) one from each area and only one effective refractive index (N eff ) can be assigned.
- - als Kanal im Substratmaterial (1) vergraben,
- - in die Oberfläche des Substratmaterials (1) eingebettet oder
- - auf die Oberfläche des Substratmaterials (1) aufgebracht ist.
- buried as a channel in the substrate material ( 1 ),
- - embedded in the surface of the substrate material ( 1 ) or
- - Is applied to the surface of the substrate material ( 1 ).
- - ein epitaktisches Abscheideverfahren oder
- - eine Dotierung oder
- - eine Legierung ist oder
- - die Realisierung von Heterostrukturen in ternären oder quaternären II-VI- oder III-V- Halbleitermaterialien ist oder
- - ein Verfahren zur Herstellung eines First- oder Rippenwellenleiters oder eines invertierten First- oder Rippenwellenleiters ist.
- - an epitaxial deposition process or
- - a grant or
- - is an alloy or
- - The realization of heterostructures in ternary or quaternary II-VI or III-V semiconductor materials is or
- - is a method for producing a ridge or rib waveguide or an inverted ridge or rib waveguide.
- - der EOBSW (2) als rechteckförmiger, trapezförmiger, dreieckförmiger, kreisförmiger, elliptischer oder vieleckiger Graben in das Substratmaterial eingebettet ist oder
- - der EOBSW (2) im Substratmaterial vergraben ist oder
- - der EOBSW (2) als rechteckförmiger, trapezförmiger, dreieckförmiger oder vieleckiger Kanal auf das Substratmaterial aufgesetzt ist oder
- - der EOBSW (2) ein streifenbelasteter Wellenleiter ist, der als rechteckförmiger, trapezförmiger, dreieckförmiger oder vieleckiger Kanal ausgebildet ist oder
- - der EOBSW (2) ein Rippen- oder Firstwellenleiter oder ein inverser Rippen- oder Firstwellenleiter ist.
- - The EOBSW ( 2 ) is embedded as a rectangular, trapezoidal, triangular, circular, elliptical or polygonal trench in the substrate material or
- - The EOBSW ( 2 ) is buried in the substrate material or
- - The EOBSW ( 2 ) is placed on the substrate material as a rectangular, trapezoidal, triangular or polygonal channel or
- - The EOBSW ( 2 ) is a strip-loaded waveguide, which is designed as a rectangular, trapezoidal, triangular or polygonal channel or
- - the EOBSW ( 2 ) is a rib or ridge waveguide or an inverse rib or ridge waveguide.
- - elektrooptische Modulation,
- - akustooptische Modulation,
- - thermooptische Modulation,
- - magnetooptische Modulation,
- - opto-optische Modulation,
- - photothermische Modulation,
- - Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,
- - elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, opto-optische oder photothermische cut-off-Modulation,
- - cut-off-Modulation aufgrund der Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,
- - steuerbare Wellenleiterverstärkung,
- - steuerbare Polarisationsdrehung,
- - Wellenleiter-Modenwandlung oder
- - electro-optical modulation,
- - acousto-optical modulation,
- - thermo-optical modulation,
- - magneto-optical modulation,
- - opto-optical modulation,
- - photothermal modulation,
- Change in the effective refractive index by injection or depletion of free charge carriers in semiconductor materials,
- - electro-optical, acousto-optical, thermo-optical, magneto-optical, opto-optical or photothermal cut-off modulation,
- cut-off modulation due to the change in the effective refractive index due to injection or depletion of free charge carriers in semiconductor materials,
- controllable waveguide amplification,
- controllable polarization rotation,
- - waveguide mode conversion or
- - Phasenschieber (z. B. Pockelszelle) oder
- - Polarisationsdreher als externe Bauelemente durchgeführt wird.
- - phase shifter (e.g. Pockels cell) or
- - Polarization rotator is carried out as external components.
- - die einmodige Führung der unterschiedlichen Wellenlängen im EOBSW (2) gegeben ist, und
- - mit Hilfe der Modulatoranordnung eine wellenlängenselektive Modulation erfolgbar
ist, die
- - eine Phasenmodulation durch Änderung des effektiven Brechungsindex der geführten Welle ist oder die
- - eine Amplitudenmodulation bzw. Intensitätsmodulation (cut-off Modulation) durch Absenken des effektiven Brechungsindex auf den Brechungsindex des Substrates (n₁) oder des Superstrates (n₃) ist oder die
- - eine Beeinflussung des Polarisationszustandes des im Wellenleiter geführten Lichts ist, die durch eine gezielte Ausnutzung der Wirkung von Komponenten des linearen elektrooptischen Tensors (rÿk) realisierbar ist.
- - The one-mode guidance of the different wavelengths is given in the EOBSW ( 2 ), and
- - With the aid of the modulator arrangement, a wavelength-selective modulation can be carried out
- - is a phase modulation by changing the effective refractive index of the guided wave or
- - An amplitude modulation or intensity modulation (cut-off modulation) by lowering the effective refractive index to the refractive index of the substrate (n₁) or the superstrate (n₃) or
- - An influencing of the polarization state of the light guided in the waveguide, which can be realized by a targeted use of the effect of components of the linear electro-optical tensor (r ÿk ).
- - Elektroabsorptionsmodulation beruht oder
- - Electro absorption modulation based or
- - Änderung der Koppeleffektivität Lichtquelle - Wellenleiter oder
- - Modulation der Lichtquelle selbst oder weiterhin
- - Lichtabschwächer (z. B. Graukeil) als externe Bauelemente oder
- - steuerbare Polarisationsdreher in Verbindung mit polarisierenden Bauelementen oder polarisierenden EOBSW durchgeführt wird.
- - Change in coupling efficiency light source - waveguide or
- - Modulation of the light source itself or continues
- - Light attenuators (e.g. gray wedge) as external components or
- - Controllable polarization rotator is carried out in conjunction with polarizing components or polarizing EOBSW.
- a) das Meßmedium als Reflektor (9) wirkt und dieser in Kontakt oder in einem Abstand vom Wellenleiterausgang (A) ist oder
- b) sich der Reflektor (9) in einem Abstand vom Wellenleiterausgang (A) befindet und sich das Meßmedium zwischen dem Wellenleiterausgang und dem Reflektor befindet und das rückreflektierte Licht und/oder das Flureszenzlicht gemessen wird.
- a) the measuring medium acts as a reflector ( 9 ) and this is in contact or at a distance from the waveguide output (A) or
- b) the reflector ( 9 ) is at a distance from the waveguide output (A) and the measuring medium is located between the waveguide output and the reflector and the back-reflected light and / or the fluorescent light is measured.
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- 1995-02-07 DE DE19503931A patent/DE19503931A1/en not_active Ceased
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