DE19505996C2 - Vorrichtung zur Polarisationskonversion in passiven integriert optischen Streifenwellenleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Polarisationskonversion in passiven integriert-optischen Streifenwellenleitern 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., IEEE Phot. Tech. Lett. 4, 1 (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 unmöglich gemacht.

Beim zweiten Verfahren (Shani et al., Appl. Phys. Lett. 59 (11) (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. Genauso wie Shani schlägt Van der Tol (EP 0 513 919 A1) die periodische Hintereinanderschaltung von zwei leicht voneinander abweichen­ den Bauelementstrukturen vor (siehe EP 0 513 919 A1, Fig. 1). Beispielhaft beschreibt Van der Tol einen rippenbelasteten Filmwellenleiter, dessen Rippe seitlich alternierend weggeätzt wurde (siehe EP 0 513 919 A1, Fig. 2). Neben der Möglichkeit, aus einer Grundmode in eine zweite Grundmode zu konvertieren, geht Van der Tol auch auf die Möglichkeit ein, aus einer Grundmode in eine höhere Mode zu konvertieren. Hierzu wird am Ausgang des Polarisationskonverters ein unsymmetrischer Strahlteiler angebracht, der die beiden Ausgangspolarisationen (TE und TM) voneinander trennt (siehe EP 0 513 919 A1, Fig. 5). Aus der Druckschrift (EP 0 513 919 A1) sind alle im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale bekannt.

Ein Nachteil des von Shani und Van der Tol beschriebenen 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 benötigt das Verfahren relativ aufwendig herzustellende periodische Bauelementstrukturen.

Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Polarisationskon­ version in integriert optischen Wellenleitern anzugeben, die eine hohe Konversionseffizienz besitzt, so daß kurze Bauelemente möglich werden und außerdem ganz ohne periodische Bauelementstrukturen aufgebaut werden kann.

Das Problem wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die erfinderische Vorrichtung weist einen Wellenleiter (1) auf, der so beschaffen ist, daß er einerseits senkrecht zur Substratoberfläche und in Wellenleiterlängsrichtung eine und andererseits parallel zur Substratoberfläche keine Symmetrieebene aufweist, und er zwei Eigenmoden (S1) und (S2) mit unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten β₁ und β₂ führt, wobei durch die Wahl der Breite, der Höhe und der Dielektrizitätskonstanten des Wellenleiters (1) und der Wellenlänge des Lichtsignals ein Betriebspunkt eingestellt ist, bei dem die Differenz Δβ der Ausbreitungskonstanten β₁ und β₂ minimal ist, so daß die Eigenmoden (S1, S2) derart beschaffen sind, daß die Addition ihrer transversalen Feldkomponenten ein Gesamtfeld mit linearer Polarisation ergibt, die parallel oder senkrecht zur Substratoberfläche ist, während die Subtraktion ein Gesamtfeld mit einer zu dieser Polarisation senkrechten Polarisation ergibt, wobei der Wellenleiter (1) in seiner Längsrichtung einen konstanten Querschnitt aufweist.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein derartig 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 l₁ = L_π = π/Δβ oder ungeradzahlige Vielfache dieser Länge aufweist, wobei Δβ die Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden beteiligten Eigenmoden angibt. Dieses hat den Vorteil, daß eine 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 L_π = π/Δβ so zu wählen, daß der gewünschte Prozentsatz an Polarisationskonversion am Ausgang von Wellenleiter (1) erreicht wird.

Der Vorteil besteht darin, daß man damit nicht auf eine vollständige Polarisationskonversion festgelegt ist, sondern je nach Anwendungsfall auch eine nur teilweise Polarisations­ konversion mit der Länge l₁ einstellen kann.

Eine einfache Ausgestaltung besteht darin, daß am Ausgang des polarisationskonvertieren­ den 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 polarisationskon­ vertierenden 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 polarisationskonver­ tierenden Wellenleiters eine Y-Verzweigung aus zwei Wellenleitern anbringt, die unterschiedliche Querschnitte aufweisen und damit auch Moden unterschiedlicher Ausbreitungskonstanten aufweisen. Diese Wellenleiter entfernen sich voneinander, bis sie aus ihrem Wechselwirkungsbereich sind. Der Wellenleiter, der die niedrigere Ausbreitungs­ konstante aufweist, stellt dabei den Ausgangswellenleiter dar. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß nahezu das gesamte konvertierte Lichtsignal, das am Ausgang des polarisationskonvertierenden Wellenleiters zur Verfügung steht, in den Wellenleiter mit der niedrigeren Ausbreitungskonstanten eingekoppelt wird.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß im Wellenleiter (1) die Verkopplung von höheren Moden ausgenutzt wird und am Ausgang des Wellenleiter (1) 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 Ausgestaltung darin, daß man die gesamte Anordnung invers betreibt, das heißt, daß das zu konvertierende Lichtsignal in den bisher als Ausgangs­ wellenleiter bezeichneten Wellenleiter eingekoppelt wird und am bisher als Eingangs­ wellenleiter 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 der einfallenden Lichtwelle 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.

Es zeigen:

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 Polarisati­ onskonverters.

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

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

Fig. 5: Die Figur zeigt die transversalen magnetischen Feldkomponenten sowie deren Addi­ tion 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 elek­ trische) sowie TM- (transversal magnetische) Moden bezeichnet. Diese Bezeichnungsweise ist etwas irreführend, da besagte Moden nicht nur eine einzige elektrische oder mag­ netische Feldkomponente aufweisen. Um sie korrekt zu beschreiben, 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 Streifenwel­ lenleiters, Rippenwellenleiters, streifenbelasteten Film-Wellenleiters o. 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 glei­ chen Größenordnung liegen, sowie, daß ebenso die Beträge der transversalen elektrischen Feldkomponenten (Ex, Ey) in der gleichen Größenordnung liegen. Der Ausdruck 'Super­ moden' 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 des 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 Annä­ herungsbereich P in Fig. 1a gerät. In Fig. 2c und 2d sind für w = 3.67 µm dazu wiederum die transversalen magnetischen Felder der betrachteten Moden als Feldlinien­ bilder 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 Eigen­ moden des gekoppelten Systems ausbilden; im folgenden als Supermoden S1 und S2 be­ zeichnet. 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 P_opt, an dem die beiden beteiligten Moden die kleinste Differenz ihrer Ausbreitungskonstanten aufweisen, so ist der Hybridcharak­ ter 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 Annäherungsbereich P zu bringen, muß nicht zwangsläufig die Streifenbreite w verändert werden; es können auch andere Wellenleiter- bzw. Betriebs­ parameter 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 vari­ ieren. 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 Pola­ risationskonverters 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) aufge­ brachten Wellenleiter (1), der im Betriebspunkt P betrieben wird (also für den beispiel­ haften 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 Polarisations­ konversion 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 magnetis­ chen Feldkomponenten (Hx und Hy) der beiden Supermoden sowie deren Addition und Subtraktion als sogenannte Isolinien in Fig. 5 dargestellt. (Bei einer solchen Darstel­ lungsart 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 Ver­ satz 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 ur­ sprünglich am Eingang von Wellenleiter (1) eingekoppelten Lichtleistung verloren. Den­ noch ist die Gesamtdämpfung der Vorrichtung relativ gering, da im Gegensatz zu Ver­ fahren nach dem Stand der Technik nur eine Stoßstelle zwischen unterschiedlichen Sek­ tionen auftritt.

Variante 3

Eine dritte Möglichkeit 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. QE-11, No. 1 (1975), 32-39) sowie von Van der Tol (EP 0 522625 A1) vorgeschlagen wurde. Diese besteht aus zwei monomodigen Wellen­ leitern (42) und (43) unterschiedlichen Querschnitts, die solange wechselseitig auseinan­ derlaufen, bis sie aus ihrem Wechselwirkungsbereich austreten. Hierbei weist Wellenleiter (43) eine größere Ausbreitungskonstante als Wellenleiter (42) auf. Eine solche Verzwei­ gung 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 als H4 angedeutet). Wellenleiter (43) un­ terstützt durch seine Anwesenheit diese Umwandlung; sein Ausgang wird allerdings nicht benötigt.

In den drei Varianten wurde jeweils ein Laserstrahl direkt in den Wellenleiter (1) eingekop­ pelt. 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 Abmessun­ gen 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 Überlagerungempfängern), 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 Polarisationskon­ verters beide Polarisationen etwa gleich stark vorhanden sind.

Beispiel 1

Ein Beispiel für eine im Hinblick auf die Polarisationskonversion besonders effektive Wellen­ leiterstruktur stellt Fig. 1b dar. Es handelt sich um einen sog. streifenbelasteten Film- Welleiter aus dem Materialsystem InP. Auf einem InP-Substrat (15) ist eine Film­ schicht (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 Po­ larisationskonverters 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 eingegan­ gen, 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

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 an­ deren Worten: der Wellenleiter sollte für eine kurze Bauteillänge so beschaffen sein, daß die minimale Differenz Δβ_min der Ausbreitungskonstanten der beiden Supermoden max­ imal wird.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Polarisationskonversion in passiven integriert-optischen Streifenwellenleitern aus isotropem Material auf einem Substrat, wobei

• 1. das zu konvertierende Lichtsignal in einen Wellenleiter (1) eingekoppelt wird und das konvertierte Lichtsignal am Ausgang des Wellenleiters (1) herausgeführt wird,
• 2. der Wellenleiter (1) so beschaffen ist, daß
  • 1. er einerseits senkrecht zur Substratoberfläche und in Wellenleiterlängsrichtung eine und andererseits parallel zur Substratoberfläche keine Symmetrieebene aufweist, und
  • 2. er zwei Eigenmoden (S1) und (S2) mit unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten β₁ und β₂ führt,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• 3. durch die Wahl der Breite, der Höhe und der Dielektrizitätskonstanten des Wellenleiters (1) und der Wellenlänge des Lichtsignals ein Betriebspunkt eingestellt ist, bei dem die Differenz Δβ der Ausbreitungskonstanten β₁ und β₂ minimal ist, so daß
• 4. die Eigenmoden (S1, S2) derart beschaffen sind, daß
  • - die Addition ihrer transversalen Feldkomponenten ein Gesamtfeld mit linearer Polarisation ergibt, die parallel oder senkrecht zur Substratoberfläche ist, während
  • - die Subtraktion ein Gesamtfeld mit einer zu dieser Polarisation senkrechten Polarisation ergibt, wobei
• 5. der Wellenleiter (1) in seiner Längsrichtung einen konstanten Querschnitt aufweist.

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

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) eine Länge l₁ mit l₁ = L_π = π/Δβ oder ungeradzahlige Vielfache dieser Länge aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) eine Länge l₁ mit n L_π < l₁ < (n + 1) L_π mit n = 0, 1, 2, ... und L_π = π/Δβ so aufweist, daß der gewünschte Prozentsatz an Polarisationskonversion am Ausgang des Wellenleiters (1) erreicht wird.

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

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Wellenleiters (1) eine Y-Verzweigung bestehend aus zwei jeweils nur die beiden Grundmoden führenden weiteren Wellenleitern (32; 42) und (33; 43) angebracht ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Wellenleiter (42) und (43) unterschiedliche Ausbreitungskonstanten aufweisen als Folge ihrer unterschiedlichen Querschnitte, wobei sie sich voneinander entfernen, bis sie aus ihrem Wechselwirkungsbereich austreten.

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

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu konvertierende Eingangssignal an einem der weiteren Wellenleiter (32; 33; 35; 42) einkoppelbar 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 und lediglich unterschiedliche Streifenbreiten aufweisen.