DE19505996A1 - Vorrichtung zur Polarisationskonversion in passiven integriert optischen Streifen-, Rippen-, steifenbelasteten Film-Wellenleitern, o.ä. aus isotropen Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Polarisationskonversion in passiven integriert optischen Streifen-, Rippen-, streifenbelasteten Film-Wellenleitern, od. ä. gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Bereich der optischen Nachrichtentechnik benötigt man Bauelemente, die das in optischen Wellenleitern geführte Licht in seiner Polarisation beeinflussen; sog. Polarisationskonverter. Diese Polarisationskonverter dienen z. B. dazu, das von einem Laser emittierte Licht ganz oder teilweise in eine andere Polarisation umzuwandeln, um es anschließend mit einer anderen Lichtwelle überlagern zu können. Da sie zusammen mit anderen Bauelementen (Laser, Strahlteiler, Photodiode, etc.) auf einem Chip integriert werden, ist man an möglichst kurzen Bauteillängen und einfachen Herstellungsverfahren interessiert.

Um eine Polarisationsbeeinflussung in einem Wellenleiter zu erreichen, ist man auf das Vorhandensein von Anisotropien angewiesen. Im Fall eines isotropen Herstellungsmaterials werden daher gezielt Formanisotropien ausgenutzt. Nach dem Stand der Technik sind zwei verschiedene Verfahren/Grundprinzipien bekannt:
Beim ersten Verfahren (Heidrich et al., Phot. Tech. Lett. 4 (1992), 34-36) bringt man auf einem planaren Substrat eine Stufe an, auf die dann der eigentliche Wellenleiter aufgewachsen wird. Hierdurch entsteht eine Verkippung der Eigenachsen des Wellenleiters gegenüber der Horizontalen. Diese Verkippung bewirkt eine Polarisationsdrehung des mit horizontaler oder vertikaler Polarisation eingestrahlten Lichts um den doppelten Verkippungswinkel. Will man größere Polarisationsdrehungen erreichen, so bringt man hinter der ersten Sektion weitere Sektionen mit jeweils alternierendem Verkippwinkel an. Hierbei ist die Länge der einzelnen Sektionen für eine optimale Polarisationskonversion festgelegt (sog. Phasenanpassung). Diese Methode hat zum einen den Nachteil, daß zur Herstellung der gewünschten Struktur eine Reihe aufwendiger Prozeßschritte notwendig ist. Weiterhin wird durch die notwendige Stufe im Substrat eine Integration mit anderen Bauelementen (z. B. Laser) auf einem Chip nahezu umöglich gemacht.
Beim zweiten Verfahren (Sani et al., Appl. Phys. Lett. 59 (1991), 1278-1280) wird die benötigte Formanisotropie durch eine dielektrische Störung im Bereich der Rippe des optischen Wellenleiters erzeugt. Diese Störung kann entweder auf der Oberseite oder an der Seite der Rippe angebracht werden. Während Shani nur die Verkopplung von Grundmoden ausnutzt, schlägt Van der Tol (EP 0 513 919 A1) als zusätzliche Möglichkeit auch die Verkopplung einer Grundmode mit einer höheren Mode vor. Ebenso wie beim ersten Verfahren wird die Störung in festgelegten Abständen periodisch wiederholt, um die gewünschte Polarisationsdrehung zu erreichen. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß der erreichbare Konversionseffekt pro Periode relativ gering ist, so daß für eine vollständige Polarisationskonversion eine Vielzahl von Perioden und damit große Bauteillängen notwendig sind.

Außerdem besteht bei beiden Verfahren das Problem, daß die benötigten Sektionslängen durch den Unterschied der Ausbreitungskonstanten der beiden beteiligten Moden festgelegt und genau eingehalten werden müssen.

Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Polarisationskonversion in integriert optischen Wellenleitern anzugeben, die eine einfache Integration mit anderen Bauelementen ermöglicht, außerdem eine hohe Konversionseffizienz besitzt, so daß kurze Bauelemente möglich werden und schließlich die Möglichkeit bietet, auf periodische Bauelementstrukturen ganz zu verzichten.

Das Problem wird unter anderem dadurch erfindungsgemäß gelöst, daß die Vorrichtung so beschaffen ist, daß unter anderem zwei Eigenmoden ausbreitungsfähig sind, wobei die Addition der transversalen Feldkomponenten der beiden Eigenmoden ein Gesamtfeld ergibt, dessen Transversalkomponenten im wesentlichen eine lineare Polarisation parallel oder senkrecht zur Oberkante des Substrats aufweisen, während deren Subtraktion ein Gesamtfeld ergibt, dessen Transversalkomponenten im wesentlichen eine zu dieser Polarisation senkrechtstehende lineare Polarisation ergeben, wobei Wellenleiter (1) in einem solchen Betriebspunkt arbeiten, daß sich die Differenz Δβ der Ausbreitungskonstanten (β₁) und (β₂) bei einer Variation der Geometrie, der Dielektrizitätskonstanten oder der Betriebswellenlänge vergrößert, wobei zur im wesentlichen vollständigen Polarisationskonversion Wellenleiter (1) lediglich einen in Ausbreitungsrichtung der Moden konstanten Querschnitt aufweist.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein deartig aufgebauter Polarisationskonverter eine hohe Konversionseffizienz besitzt und daher kürzer als Polarisationskonverter nach dem Stand der Technik gebaut werden kann. Außerdem besteht er aus Wellenleitertypen, die gut auf einem Substrat integrierbar sind. Schließlich weist ein entsprechend der Erfindung aufgebauter Polarisationskonverter keine periodischen Bauelementstrukturen auf, was das Maskendesign erheblich vereinfacht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, das zu konvertierende Eingangssignal mit einem monomodigen, das heißt nur die beiden Grundmoden führenden Wellenleiter an den eigentlichen polarisationskonvertierenden Wellenleiter anzukoppeln. Dies hat den Vorteil, daß der Polarisationskonverter an beliebiger Stelle auf dem Chip positioniert werden kann, da ihm mittels des monomodigen Wellenleiters das zu konvertierende Eingangssignal zugeführt wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung liegt darin, daß der polarisationskonvertierende Wellenleiter gerade eine Länge l₁ mit

oder ungeradzahlige Vielfache dieser Länge aufweist, wobei Δβ die Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden beteiligten Eigenmoden angibt. Dieses hat den Vorteil, daß eine im wesentlichen vollständige Polarisationskonversion erzielt wird.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, die Länge l₁ des polarisationskonvertierenden Wellenleiters mit n L_π < l₁ < (n+1) L_π mit n = 0, 1, 2, . . . und

so zu wählen, daß der gewünschte Prozentsatz an Polarisationskonversion am Ausgang von Wellenleiter (1) erreicht wird, wobei Δβ die Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden beteiligten Eigenmoden angibt. Der Vorteil besteht darin, daß damit nicht auf eine vollständige Polarisationskonversion festgelegt ist, sondern je nach Anwendungsfall auch eine nur teilweise Polarisationskonversion mit der Länge l₁ einstellen kann.

Eine einfache Ausgestaltung besteht darin, daß am Ausgang des polarisationskonvertierenden Wellenleiters ein monomodiger Wellenleiter angebracht wird, der das konvertierte Lichtsignal weiterführt. Dies hat den Vorteil, daß das konvertierte Lichtsignal an beliebige Orte auf dem Chip geführt werden kann.

Eine weitere wichtige Ausgestaltung besteht darin, daß am Ausgang des polarisationskonvertierenden Wellenleiters eine Y-Verzweigung bestehend aus zwei monomodigen Wellenleitern angebracht ist. Diese Ausgestaltung weist gleich zwei Vorteile auf: Zum einen kann das konvertierte Lichtsignal nahezu ohne Verluste ausgekoppelt werden, zum anderen wird das Lichtsignal auf zwei Wellenleiter aufgeteilt, so daß es zu verschiedenen Orten geführt werden kann.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß man am Ausgang des polarisationskonvertierenden Wellenleiters eine Y-Verzweigung aus zwei Wellenleitern anbringt, die unterschiedliche Querschnitte aufweisen und damit auch Moden unterschiedlicher Ausbreitungskonstanten aufweisen. Diese Wellenleiter laufen so weit wechselseitig auseinander, bis sie aus ihrem Wechselwirkungsbereich sind. Der Wellenleiter, der die niedrigere Ausbreitungskonstante aufweist, stellt dabei den Ausgangswellenleiter dar. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß nahezu das gesamte konvertierte Lichtsignal, daß am Ausgang des polarisationskonvertierenden Wellenleiters zur Verfügung steht, in den Wellenleiter mit den niedrigeren Ausbreitungskonstanten eingekoppelt wird.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß im polarisationskonvertierenden Wellenleiter die Verkopplung von höheren Moden ausgenutzt wird und am Ausgang des polarisationskonvertierenden Wellenleiters eine Verzweigung auf drei oder mehr monomodige Wellenleiter angebracht ist. Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung liegt darin, daß das konvertierte Lichtsignal auf verschiedenen Wellenleiter verteilt wird und so zu verschiedenen Orten geführt werden kann.

Weiterhin besteht eine Ausgesaltung darin, daß man die gesamte Anordnung invers betreibt, das heißt, daß das zu konvertierende Lichtsignal in den bisher als Ausgangswellenleiter bezeichneten Wellenleiter eingekoppelt wird und am bisher als Eingangswellenleiter bezeichneten Wellenleiter ausgekoppelt wird. Dies hat den Vorteil, daß der Polarisationskonverter universell eingesetzt werden kann; es ist damit sichergestellt, daß man beliebige Eingangspolarisationen konvertieren kann, da man sowohl Addition wie auch Subtraktion der transversalen Feldkomponenten der beiden Eigenmoden mit den einfallenden Lichtwellen anregen kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß sämtliche Wellenleiter der Vorrichtung die gleiche vertikale Struktur aufweisen und lediglich unterschiedliche Rippen- bzw. Streifenbreiten gewählt werden. Dies hat den Vorteil, daß das gesamte Bauteil mit nur einem Ätzschritt hergestellt werden kann.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert werden.

Fig. 1a: Die Figur zeigt die normierten Ausbreitungskonstanten b der Moden TM11 und TE21 eines auf ein Substrat aufgesetzten Streifenwellenleiters sowie eine Abbildung dieses Wellenleiters im Querschnitt.

Fig. 1b: Die Figur zeigt den Querschnitt eines streifenbelasteten Film-Wellenleiters.

Fig. 2a: Die Figur zeigt die transversalen magnetischen Feldkomponenten (Hx, Hy) der Mode TE21 des Wellenleiters in Fig. 1a für eine Streifenbreite w = 3.6 µm, also für einen Betriebspunkt außerhalb des Annäherungsbereichs P.

Fig. 2b: Die Figur zeigt die transversalen magnetischen Feldkomponenten (Hx, Hy) der Mode TM11 des Wellenleiters in Fig. 1a für eine Streifenbreite w=3,6 µm, also für einen Betriebspunkt außerhalb des Annäherungsbereichs P.

Fig. 2c: Die Figur zeigt die transversalen magnetischen Feldkomponenten (Hx, Hy) der sich im Annäherungsbereich P ergebenden Mode S1 des Wellenleiters in Fig. 1a für eine Streifenbreite w = 3.67 µm.

Fig. 2d: Die Figur zeigt die transversalen magnetischen Feldkomponenten (Hx, Hy) der sich im Annäherungsbereich P ergebenden Mode S2 des Wellenleiters in Fig. 1a für eine Streifenbreite w = 3.67 µm.

Fig. 3a: Die Figur zeigt die dreidimensionale Ansicht einer ersten Variante des Polarisationskonverters.

Fig. 3b: Die Figur zeigt die dreidimensionale Ansicht einer zweiten Variante des Polarisationskonverters.

Fig. 4: die Figur zeigt die Aufsicht einer dritten Variante des Polarisationskonverters.

Fig. 5: Die Figur zeigt die transversalen magnetischen Feldkomponenten sowie deren Addition und Subtraktion der Moden S1 und S2 des Wellenleiters in Fig. 1a für einen Betriebspunkt im Annäherungsbereich P (w = 3.67 µm).

Zur Erklärung

Normalerweise besitzen integriert optische Wellenleiter, die aus einem isotropen Material aufgebaut sind, zwei Arten von Eigenmoden. Diese werden als TE- (transversal elektrische) sowie TM- (transversal magnetische) Moden bezeichnet. Diese Bezeichnungsweise ist etwas irreführend, da besagte Moden nicht nur eine einzige elektrische oder magnetische Feldkomponente aufweisen. Um sie korrekt zu beschrieben, müssen alle drei elektrischen sowie alle drei magnetischen Vektorfeldkomponenten berücksichtigt werden. Dennoch kann man im Normalfall davon ausgehen, daß die TE-Mode hauptsächlich eine Ex- und Hy-Komponente aufweist, während die TM-Mode hauptsächlich eine Ey- und Hx-Komponente aufweist. (Hierbei wurde ein Koordinatensystem gewählt, das mit der x-Achse parallel zur Oberkante des Substrats und mit der y-Achse senkrecht zur Oberkante des Substrats liegt und dessen z-Achse in die Ausbreitungsrichtung der Moden zeigt.)

In einem bestimmten Betriebspunkt (das heißt, bei einem bestimmten Zusammenspiel von Wellenleitergeometrie, Dielektrizitätsverteilung und Betriebswellenlänge) kann allerdings eine Modenkopplung zwischen einer der beiden Grundmoden und einer höheren Mode oder einer höheren Mode und einer weiteren höheren Mode eines optischen Streifenwellenleiters, Rippenwellenleiters, streifenbelasteten Film-Wellenleiters od. ä. auftreten, welche zur Ausbildung von stark hybriden Supermoden führt. Hierbei bedeutet "stark hybrid", daß die Beträge der transversalen magnetischen Feldkomponenten (Hx, Hy) in der gleichen Größenordnung liegen, sowie, daß ebenso die Beträge der transversalen elektrischen Feldkomponenten )Ex, Ey) in der gleichen Größenordnung liegen. Der Ausdruck "Supermoden" bezeichnet die Eigenmoden des gekoppelten Systems.

Zur Erklärung der Entstehung der hybriden Supermoden wird Fig. 1a herangezogen. Hier sind die normierten Ausbreitungskonstanten b der Moden TM11 und TE21 eines auf ein Substrat aufgesetzten Streifenwellenleiters als Funktion der Streifenbreite dargestellt. Die normierte Ausbreitungskonstante b ist dabei folgendermaßen definiert:

mit k₀: Wellenzahl und β: Ausbreitungskonstante der Mode.

Man erkennt, daß sich die Kurven der beiden Moden bei steigender Streifenbreite w allmählich immer weiter annähern, bis sie sich schließlich wieder voneinander entfernen. Im konkreten Beispiel hat der Streifen (11) eine relative Dielektrizitätszahl ε₁ = 3, das oben und seitlich liegende Material (12) ε₂ = 2, und das Substrat (13) ε₃ = 2.1. Die Höhe h beträgt 0.5 µm.

Für eine Streifenbreite w = 3.6 µm sind die transversalen magnetischen Felder (Hx, Hy) der betrachteten Moden in Fig. 2a und 2b als Feldlinienbilder dargestellt. (Bei einer solchen Feldliniendarstellung gibt die Länge eines Pfeils die Stärke des Feldes am Ort des Pfeils an, während man aus der Richtung des Pfeils auf das Verhältnis zwischen Hx- und Hy-Komponente am Ort des Pfeils schließen kann. Zum Beispiel gibt ein in Richtung der x-Achse liegender Pfeil an, daß am Ort des Pfeils, genauer gesagt am Ort der Mitte des Pfeils, eine reine Hx-Komponente vorliegt. Dagegen gibt z. B. ein Pfeil, der unter einem Winkel von 45 Grad zu den x- und y-Koordinatenachsen verläuft, an, daß am Ort des Pfeils Hx- und Hy-Komponente gleichstark sind.)

Man erkennt in Fig. 2a und 2b, daß die Mode TE21 (Fig. 2a) hauptsächlich eine y- Komponente und die Mode TM11 (Fig. 2b) hauptsächlich eine x-Komponente aufweist. Dies ändert sich dramatisch, wenn man die Breite w so ändert, daß man in den Annäherungsbereich P in Fig. 1a gerät. In Fig. 2c und 2 d sind für w = 3.67 µm dazu wiederum die transversalen magnetischen Felder der betrachteten Moden als Feldlinienbilder dargestellt. Deutlich erkennbar weisen die Moden ein völlig verändertes Feldbild auf; auffallend ist vor allem, daß die transversalen Feldkomponenten in der gleichen Größenordnung liegen. (Dies ist erkennbar an den Pfeilen, die ungefähr um 45 Grad zu den Koordinatenachsen verkippt sind.)

Der Grund für diese Änderung besteht darin, daß die beiden ursprünglichen Moden in diesem Bereich einer Modenkopplung unterliegen, die dazu führt, daß sich neue Eigenmoden des gekoppelten Systems ausbilden; im folgenden als Supermoden S1 und S2 bezeichnet. Das Auftreten der Modenkopplung und die Ausbildung der Supermoden tritt immer nur im Annäherungsbereich P der beiden beteiligten Moden auf. Dies liegt daran, daß die Kopplung der beiden ursprünglichen Moden umso stärker wird, je ähnlicher deren Ausbreitungskonstanten sind (Stichwort: möglichst geringe Phasenabweichung).

Wählt man als Betriebspunkt genau den Punkt P₀pt, an dem die beiden beteiligten Moden die kleinste Differenz ihrer Ausbreitungskonstanten aufweisen, so ist der Hybridcharakter der transversalen Feldkomponenten am stärksten. Entfernt man sich allmählich von diesem Punkt, so ergibt sich ein allmählicher Übergang von den Supermodenfeldbildern (Fig. 2c und 2d) zu den Feldbildern der ungekoppelten Originalmoden TE21 und TM11 (Fig. 2a und 2b).

Um einen Wellenleiter in den Annäherungsbreich P zu bringen, muß nicht zwangsläufig die Streifenbreite w verändert werden; es können auch andere Welenleiter- bzw. Betriebsparameter variiert werden. Hält man z. B. w konstant und variiert die Höhe h, so ergibt sich eine ähnliche Kurve wie in Fig. 1a. Ebenso ist es denkbar, die Geometrie konstant zu halten und die Dielektrizitätskonstanten oder auch die Betriebswellenlänge zu variieren. Das Auftreten von hybriden Supermoden ist dabei nicht auf Streifenwellenleiter beschränkt, sondern findet sich bei allen Wellenleitern, die eine Unsymmetrie zwischen oberem und unterem Bereich (meist dadurch gegeben, daß sich unten ein Substrat und oben Luft befindet) aufweisen. Entscheidend ist, daß jeweils der Betriebspunkt so gewählt wird, daß die Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden beteiligten Moden bei einer Variation der Wellenleiterparameter oder der Betriebswellenlänge minimal ist.

Das Auftreten der hybriden Supermoden S1 und S2 läßt den Bau eines neuartigen Polarisationskonverters zu. Ein Beispiel eines solchen Konverters ist in Fig. 3a gezeigt. Der erste Teil des Bauelements (Bereich A) besteht aus einem auf einem Substrat (S) aufgebrachten Wellenleiter (1), der im Betriebspunkt P betrieben wird (also für den beispielhaften Wellenleiter in Fig. 1a eine Streifenbreite von w = 3.67 µm aufweist) und zwei Supermoden S1 und S2 wie eben beschrieben führt. Für eine vollständige Polarisationskonversion sollte dieser Wellenleiter vorzugsweise die Länge l₁ = L_π besitzen, wobei L_π folgendermaßen definiert ist:

mit Δβ = Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden Moden.

Zur weiteren Erläuterung des Bauteils in Fig. 3a sind die transversalen magnetischen Feldkomponenten (Hx und Hy) der beiden Supermoden sowie deren Addition und Subtraktion als sogenannte Isolinien in Fig. 5 dargestellt. (Bei einer solchen Darstellungsart stellen die Höhenlinien Orte gleicher Feldstärke dar. Dabei weisen benachbarte Höhenlinien jeweils eine Amplitudendifferenz von 10% auf).

Variante 1

Angenommen, ein Laserstrahl (H1) mit reiner Hx-Komponente wird in den Eingang des Wellenleiters (1) in Fig. 3a eingekoppelt. Dies führt zur etwa gleichstarken Anregung von Supermode S1 und S2 (Addition der beiden Felder). Diese beiden Moden breiten sich nun mit unterschiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit im Wellenleiter aus. (Dies ist in Fig. 1a daran erkennbar, daß sich die beiden Kurven auch im Annäherungsbereich nicht berühren, sondern einen nicht verschwindenden Minimalabstand aufweisen.) An der Stelle z = L_π weisen die beiden Moden gerade eine Phasenverschiebung von 180 Grad auf Ausbreitungskonstanten; d. h. das resultierende Feld am Ende des ersten Wellenleiters ergibt sich als Subtraktion der beiden Modenfelder. Aus Fig. 5 wird deutlich, daß in diesem Fall lediglich die Hy-Komponente wesentlich von Null verschieden ist. An das Ende des ersten Wellenleiters schließt sich nun im Bereich B eine Y-Verzweigung bestehend aus zwei monomodigen Wellenleitern einer schmaleren Streifenbreite an, die die beiden Hy-Maxima voneinander trennt und zu verschiedenen Ausgängen führt. Deutlich erkennbar ist in Fig. 3a, daß so aus der horizontalen Eingangspolarisation eine vertikale Ausgangspolarisation gewonnen wurde (in Fig. 3a als H2 und H3 angedeutet).

Variante 2

Eine Alternative zur Y-Verzweigung im Bereich B ist die Möglichkeit, statt der zwei sich verzweigenden schmalen Wellenleiter lediglich einen schmalen monomodigen Wellenleiter (35) weiterzuführen (siehe Fig. 3b). Er sollte so bemessen sein und einen solchen Versatz zum Wellenleiter (1) aufweisen, daß der Einkoppelwirkungsgrad (zur Definition des Einkoppelwirkungsgrads siehe z. B. K. J. Ebeling, "Integrierte Optoelektronik", Springer Verlag, Berlin 1992) zwischen dem am Ausgang von Wellenleiter (1) sich ergebenden Gesamtfeld und dem Feld einer der Eigenmoden des Wellenleiters (35) maximal wird. Durch die Weiterführung in nur einem Wellenleiter geht allerdings etwa die Hälfte der ursprünglich am Eingang vom Wellenleiter (1) eingekoppelten Lichtleistung verloren. Dennoch ist die Gesamtdämpfung der Vorrichtung relativ gering, da im Gegensatz zum Verfahren nach dem Stand der Technik nur eine Stoßstelle zwischen unterschiedlichen Sektionen auftritt.

Variante 3

Eine dritte Möglickeit besteht darin, statt einer symmetrischen Y-Verzweigung wie in Variante 1 eine unsymmetrische Y-Verzweigung zu verwenden (siehe Fig. 4), wie sie von Burns (Burns, et al., IEEE J. of Quant. Electr. QU-11 (1975), 32-39) sowie von Van der Tol (EP 0 522 625 A1) vorgeschlagen wurde. Diese besteht aus zwei monomodigen Wellenleitern (42) und (43) unterschiedlichen Querschnitts, die so lange wechselseitig auseinanderlaufen, bis sie aus ihrem Wechselwirkungsbereich austreten. Hierbei weist Wellenleiter (43) eine größere Ausbreitungskonstante als Wellenleiter (42) auf. Eine solche Verzweigung ermöglicht es, die am Ausgang von Wellenleiter (1) vorliegende Feldverteilung nahezu ohne Verluste in die Grundmode von Wellenleiter (42) umzuwandeln und am Ausgang von Wellenleiter (42) herauszuführen (in Fig. 4 alsH4 angedeutet). Wellenleiter (43) unterstützt durch seine Anwesenheit diese Umwandlung; sein Ausgang wird allerdings nicht benötigt.

In den drei Varianten wurde jeweils ein Laserstrahl direkt in den Wellenleiter (1) eingekoppelt. Statt dessen kann der vom Laser, der Glasfaser usw. kommende Lichtstrahl auch zuerst in einem monomodigen Wellenleiter (4) (siehe Fig. 4) geführt werden, welcher das Lichtsignal wiederum an den Eingang von Wellenleiter (1) führt. Geeignete Abmessungen des Wellenleiters (4) erhält man durch die Berechnung des Kopplungswirkungsgrads zwischen dem Feld der Grundmode des Wellenleiters (4) und dem im Wellenleiter (1) anzuregenden Feld (im vorliegenden Beispiel siehe Fig. 5: Addition von Hx und Hy).

In den drei Varianten wurde stets davon ausgegangen, daß die Polarisation möglichst vollständig umgewandelt wird. Es gibt allerdings eine Reihe von Anwendungsfällen (z. B. in integriert optischen Überlagerungsempfängern), bei denen nur eine teilweise Konversion gewünscht ist. Dies ist mit der neuen Erfindung ebenfalls zu erreichen, indem die Länge l₁ nicht gerade gleich L_π gemacht wird, sondern nur einen Bruchteil davon aufweist. Ein spezieller Fall liegt dabei für l₁ = L_π/2 vor, da dann am Ausgang des Polarisationskonverters beide Polarisationen etwa gleich stark vorhanden sind.

Beispiel 1

Ein Beispiel für eine im Hinblick auf die Polarisationskonversion besonders effektive Wellenleiterstruktur stellt Fig. 1b dar. Es handelt sich um einen sog. streifenbelasteten Film- Wellenleiter aus dem Materialsystem InP. Auf einem InP-Substrat (15) ist eine Filmschicht (16) aus InGaAsP der Dicke d aufgebracht. Darauf befindet sich eine weitere Schicht aus InP, die seitlich abgeätzt wurde, so daß sich eine Rippe (17) der Höhe h und der Breite w ergibt. Oberhalb des Wellenleiters befindet sich Luft. Für die Werte d = 0.3 µm, h = 0.2 µm und w = 2.83 µm sowie die Brechungsindizes n_InP = 3.17 und n_InGaAsP = 3.39 ergibt sich für eine Wellenlänge λ = 1.55 µm eine Länge des Polarisationskonverters von l₁ = L_π = 0.66 mm. Ein solch kurzer Konverter wurde bisher noch nicht vorgestellt; integrierbare Konverter nach dem Stand der Technik benötigen zur vollständigen Polarisationskonversion mehrere Millimeter. Wird in die hier vorgeschlagene Struktur Licht mit horizontaler (bezogen auf das Magnetfeld) Polarisation eingestrahlt, so erhält man am Ausgang eine im wesentlichen vertikale Polarisation; lediglich eine um ca. -30 dB schwächere horizontale Polarisation liegt dort noch vor.

Im Rahmen dieser Beschreibung wurde bisher nur auf hybride Supermoden eingegangen, die sich aus der Kopplung einer Grundmode mit einer höheren Mode ergeben. Grundsätzlich sind aber auch hybride Supermoden möglich, die sich aus der Kopplung einer höheren mit einer zweiten höheren Mode ergeben. (So weist z. B. der Wellenleiter nach Beispiel 1 für eine Rippenbreite von etwa w = 3.5 µm eine Kopplung der Moden TM21 und TE31 auf.) Die passenden Bauteilabmessungen zur Ausnutzung des Effekts liegen auch hier jeweils im Annäherungsbereich der beiden beteiligten Moden (vergleiche Punkt P in Fig. 1a). Denkbar sind für den Fall der Kopplung höherer Moden z. B. Polarisationskonverter mit drei oder mehr Ausgängen.

Anhand der Formel für die Bestimmung der Länge L_π (L_π = ist erkennbar, daß ein gemäß der Erfindung aufgebauter Polarisationskonverter zur im wesentlichen vollständigen Polarisationskonversion umso kürzer gebaut werden kann, je größer die Differenz Δβ der Ausbreitungskonstanten der beiden Supermoden im Annäherungsbereich P ist. In anderen Worten: der Wellenleiter sollte für eine kurze Bauteillänge so beschaffen sein, daß die minimale Differenz Δβ_min der Ausbreitungskonstanten der beiden Supermoden maximal wird.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Polarisationskonversion in passiven integriert optischen Streifen-, Rippen-, streifenbelasteten Film-Wellenleitern od. ä. aus isotropem Material auf einem Substrat, wobei das zu konvertierende Lichtsignal in einen Wellenleiter (1) eingekoppelt wird und das konvertierte Lichtsignal am Ausgang von Wellenleiter (1) herausgeführt wird, wobei Wellenleiter (1) so beschaffen ist, daß er eine senkrecht zum Substrat liegende Symmetrieebene aufweist, wobei Wellenleiter (1) außerdem so beschaffen ist, daß er unter anderem zwei Eigenmoden (S1) und (S2) mit transversalen und longitudinalen Feldkomponenten führen kann, wobei die Eigenmoden (S1) und (S2) unterschiedliche Ausbreitungskonstanten β₁ und β₂ aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Addition der transversalen Feldkomponenten der beiden Eigenmoden ein Gesamtfeld ergibt, dessen Transversalkomponenten im wesentlichen eine lineare Polarisation parallel oder senkrecht zur Oberkante des Substrats aufweisen, während deren Subtraktion ein Gesamtfeld ergibt, dessen Transversalkomponenten im wesentlichen eine zu dieser Polarisation senkrecht stehende lineare Polarisation aufweisen, wobei Wellenleiter (1) in einem solchen Betriebspunkt arbeitet, daß sich die Differenz Δβ der Ausbreitungskonstanten (β₁) und (β₂) bei einer Variation der Geometrie, der Dielektrizitätskonstanten oder der Betriebswellenlänge vergrößert, wobei zur im wesentlichen vollständigen Polarisationskonversion Wellenleiter (1) lediglich einen in Ausbreitungsrichtung der Moden konstanten Querschnitt aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu konvertierende Eingangssignal in einem nur die beiden Grundmoden führenden Wellenleiter (4) auf den Eingang von Wellenleiter (1) geführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wellenleiter (1) eine Länge l₁ mit oder ungeradzahlige Vielfache dieser Länge aufweist, wobei Δβ die Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden beteiligten Eigenmoden angibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wellenleiter (1) eine Länge l₁ mit n L_π < l₁ < (n+1) L_π mit n = 0, 1, 2, . . . und so aufweist, daß der gewünschte Prozentsatz an Polarisationskonversion am Ausgang vom Wellenleiter (1) erreicht wird, wobei Δβ die Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden beteiligten Eigenmoden angibt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang vom Wellenleiter (1) ein nur die beiden Grundmoden führender Wellenleiter (35) so angebracht wird, daß der Einkopplungswirkungsgrad zwischen dem am Ausgang vom Wellenleiter (1) sich ergebenden Gesamtfeld und dem Feld einer der Eigenmoden des Wellenleiters (35) maximal wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang vom Wellenleiter (1) eine Y-Verzweigung bestehend aus zwei jeweils nur die beiden Grundmoden führenden Wellenleitern (32) und (33) angebracht sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Y-Verzweigung aus zwei Wellenleitern (42) und (43) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß diese Wellenleiter (42) und (43) unterschiedliche Ausbreitungskonstanten aufweisen als Folge ihres unterschiedlichen Querschnitts, wobei sie wechselseitig auseinanderlaufen, bis sie aus ihrem Wechselwirkungsbereich austreten, wobei der Wellenleiter mit der niedrigeren Ausbreitungskonstante den Ausgangswellenleiter darstellt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang vom Wellenleiter (1) eine Verzweigung bestehend aus drei oder mehr gleichen, jeweils nur die beiden Grundmoden führenden Wellenleitern angebracht sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu konvertierende Eingangssignal an den Ausgangswellenleiter (32, 33, 35, 42) koppelbar ist und das konvertierte Ausgangssignal (H2, H3, H4) an dem Eingangswellenleiter (4) abnehmbar ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Wellenleiter die gleiche vertikale Struktur aufweisen und lediglich unterschiedliche Rippen bzw. Streifenbreiten gewählt werden.