DE19731443A1

DE19731443A1 - Integrierte optische Polarisationsvorrichtung

Info

Publication number: DE19731443A1
Application number: DE19731443A
Authority: DE
Inventors: Hyung-Jae Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 1998-01-29
Also published as: FR2751758A1; GB2315880B; CN1175001A; FR2751758B1; JPH1073737A; RU2187134C2; US5946434A; CN1112598C; KR100224755B1; GB2315880A; IN190212B; GB9713248D0

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte optische Polarisa tionsvorrichtung und insbesondere einen Polarisationsteiler bzw. eine Polarisationsweiche zum Aufteilen einer polarisierten opti schen Eingangswelle in den transversalen elektrischen Wellenan teil TE und den transversalen magnetischen Wellenanteil TM auf zwei Ausgangswellenleitern, die auf einem optischen Einmodenwel lenleiter basieren, sowie einen Polarisationskoppler, der einen eingegebenen transversalen elektrischen Wellenanteil TE und einen eingegebenen transversalen magnetischen Wellenanteil TM auf einen optischen Ausgangswellenleiter koppelt.

Bei integrierten Optiken besteht das Substrat im allgemei nen aus verschiedenen Materialien, wie beispielsweise Glas, ferroelektrischen Materialien, Halbleitermaterialien oder Poly mermaterialien. LiNbO₃, das ferromagnetisch ist, wird in weitem Umfang zum Herstellen von integrierten optischen Vorrichtungen verwandt, da es Vorteile, wie beispielsweise niedrige Ausbrei tungs- oder Fortpflanzungsverluste und große elektrooptische Effekte, hat. LiNbO₃ ist ein optischer Kristall mit starker Doppelbrechung und einem außerordentlichen Brechungsindex von 2,202 und einem ordentlichen Brechungsindex von 2,286 bei einer Wellenlänge von 633 nm. Das Eindiffundieren von Titan und der Protonenaustausch sind repräsentative Verfahren zum Herstellen eines optischen Wellenleiters mittels eines LiNbO₃-Substrates. Das Eindiffundieren von Titan ist ein Verfahren, das dazu be nutzt wird, eine dünne Titanschicht an einem Teil auszubilden, an dem ein optischer Wellenleiter auf dem LiNbO₃-Substrat aus zu bilden ist. Mit diesem Verfahren wird der optische Wellenleiter in Form einer dünnen Titanschicht von etwa einigen hundert Å ausgebildet und erfolgt ein thermisches Diffundieren in das Innere des LiNbO₃-Substrates bei einer hohen Temperatur von etwa 1000°C über einige Stunden, was den Brechungsindex des Wellen leiters erhöht. In diesem Fall nehmen sowohl der außerordentli che als auch der ordentliche Brechungsindex zu, wodurch ein Wellenleiter zum Leiten des transversalen elektrischen Wellen anteils TE und des transversalen magnetischen Wellenanteils TM gebildet wird.

Der Protonenaustausch ist ein Verfahren, bei dem Lithium ionen Li⁺ im LiNbO₃-Substrat durch Protonen H⁺ in einer Protonen quelle, wie beispielsweise Benzoesäure, ausgetauscht werden. Dabei wird beispielsweise eine Metall auf die Teile des Substra tes aufgebracht, an denen kein optischer Wellenleiter auszubil den ist, und wird das Substrat in die Protonenquelle bei einer Temperatur von etwa 200°C getaucht, wodurch der Brechungsindex des Wellenleiters erhöht wird. In diesem Fall nimmt nur der außerordentliche Brechungsindex zu und nimmt der ordentliche Brechungsindex etwas ab, so daß sich ein Wellenleiter ergibt, der entweder den transversalen elektrischen Wellenanteil oder den transversalen magnetischen Wellenanteil leitet.

Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung zeigt einen herkömmlichen Polarisationsteiler oder eine herkömmliche Polarisationsweiche. Die herkömmliche Polarisationsweiche, die nach einem der beiden oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen von optischen Wel lenleitern gebildet wird, ist in Form einer Y-Weiche ausgebil det, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Ein Ausgangswellenleiter 3 für den transversalen elektrischen Wellenanteil ist durch Protonenaustausch gebildet, und ein Wellenleiter 2 für den transversalen magnetischen Wellenanteil und ein Eingangswellen leiter 4 sind durch Eindiffundieren von Titan gebildet.

Bei der herkömmlichen Polarisationsweiche besteht jedoch das Problem, daß der transversale elektrische Wellenanteil in den Ausgangswellenleiter 2 für den transversalen magnetischen Wellenanteil auf dem integrierten optischen Substrat 1 einge führt wird und die Polarisation bezüglich des transversalen elektrischen Wellenanteils nicht 100%ig infolge des Verzwei gungswinkels der Y-Weiche aufgeteilt werden kann. Es ist daher ein schwieriger Arbeitsvorgang erforderlich, um die Verteilung des Brechungsindex des Ausgangswellenleiters 3 für den transver salen elektrischen Wellenanteil und einen scharfen Verzweigungs winkel zu bilden.

Durch die Erfindung soll daher eine integrierte optische Polarisationsvorrichtung geschaffen werden, die den transver salen elektrischen Wellenanteil und den transversalen magneti schen Wellenanteil ohne Verluste vollständig aufteilt oder kop pelt, indem die Doppelbrechung und die Kopplung optischer Wel lenleiter in einem Substrat ausgenutzt werden.

Dazu umfaßt die erfindungsgemäße integrierte optische Pola risationsvorrichtung einen ersten Wellenleiter, der gleichzeitig zwei Wellenanteile, deren Polarisationen senkrecht zueinander stehen, durch ein integriertes optisches Substrat hindurchlassen kann, und einen zweiten Wellenleiter, der eine der beiden Pola risationswellenanteile durch das integrierte optische Substrat hindurchlassen kann und einen Kopplungsbereich, der über eine bestimmte Strecke und in einem bestimmten Abstand vom ersten Wellenleiter angeordnet ist, und einen Nichtkopplungsbereich aufweist, der so angeordnet ist, daß der erste und der zweite Wellenleiter einen größeren Abstand an anderen Teilen als dem Teil mit der bestimmten Strecke haben.

Der Brechungsindex des ersten Wellenleiters ist gleich dem des zweiten Wellenleiters. Die Polarisationswellenanteile TE und TM gehen durch den ersten und den zweiten Wellenleiter.

Die Länge lc des Kopplungsbereichs ist gleich der Kopplungslänge in Fig. 2A und 2B oder ein ungeradzahliges Viel faches davon.

Das integrierte optische Substrat kann aus LiNbO₃, einem optischen Polymermaterial oder einem Halbleitermaterial mit Doppelbrechung gebildet sein.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine herkömmliche Polarisationsweiche,

Fig. 2A und 2B Draufsichten auf die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen integrierten optischen Polarisationsvor richtung,

Fig. 3A in einer graphischen Darstellung die Zunahme des Brechungsindex für den transversalen elektrischen Wellenanteil der jeweiligen Wellenleiter in Fig. 2A,

Fig. 3B in einer graphischen Darstellung die Zunahme des Brechungsindex für den transversalen magnetischen Wellenanteil der jeweiligen Wellenleiter in Fig. 2A,

Fig. 3C in einer graphischen Darstellung die Zunahme des Brechungsindex für den transversalen elektrischen Wellenanteil der jeweiligen Wellenleiter, die in Fig. 2B dargestellt sind, und

Fig. 3D in einer graphischen Darstellung die Zunahme des Brechungsindex für den transversalen magnetischen Wellenanteil der jeweiligen Wellenleiter, die in Fig. 2B dargestellt sind.

Die Fig. 2A und 2B zeigen Draufsichten auf Ausführungsbei spiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form einer Polarisa tionsweiche und eines Polarisationskopplers, die integriert ausgebildet sind.

Der Aufbau des gekoppelten optischen Wellenleiters, der in Fig. 2A und 2B dargestellt ist, wird gemäß der Erfindung statt des Aufbaus einer herkömmlichen Y-Weiche benutzt.

Bei der in Fig. 2A dargestellten Vorrichtung sind ein opti scher Wellenleiter 5 durch Eindiffundieren von Titan und ein optischer Wellenleiter 6 durch Protonenaustausch ausgebildet. In diesem Fall wird der optische Wellenleiter 5 zunächst durch Eindiffundieren von Titan ausgebildet, da das ein Hochtempera turarbeitsvorgang ist, und wird dann der Wellenleiter 6 durch Protonenaustausch gebildet, da das ein Niedrigtemperaturarbeits vorgang ist. Wenn X- oder Y- geschnittenes LiNbO₃-Substrat 11 verwandt wird, leitet der Wellenleiter 6, der durch Protonen austausch gebildet ist, nur den transversalen elektrischen Wel lenanteil.

In Fig. 2B ist ein Z-geschnittenes LiNbO₃-Substrat 21 ver wandt. Der Wellenleiter 9 in Fig. 2B, der durch Protonenaus tausch gebildet ist, leitet nur den transversalen magnetischen Wellenanteil. Die effektiven Brechungsindizes der jeweiligen Wellenleiterteile des gekoppelten Wellenleiters sind für die außerordentliche Wellenmode identisch, und die Länge lc des gekoppelten optischen Wellenleiters ist so gewählt, daß sie mit der Kopplungslänge identisch oder gleich einem ungeradzahligen Vielfachen der Kopplungslänge ist, die 100% der Übertragungs länge der außerordentlichen Wellenmode ist. Unter der Übertra gungslänge wird dabei die kleinste Länge verstanden, die für die außerordentliche Wellenmode eines ersten Wellenleiters zur voll ständigen Übertragung auf einen nahe und parallel daran liegen den zweiten Wellenleiter benötigt wird. 100% der optischen Lei stung der außerordentlichen Wellenmode wird theoretisch bei einem derartigen gekoppelten optischen Wellenleiter vom opti schen Eingangswellenleiter 8 auf den optischen Ausgangswellen leiter 9 übertragen. Eine 100%-ige Polarisationsaufteilung er folgt daher bezüglich einer Eingangspolarisation auf den trans versalen elektrischen Wellenanteil und den transversalen magne tischen Wellenanteil über die beiden optischen Ausgangswellen leiter. Die Polarisationsweiche kann als Polarisationskoppler verwandt werden, um zwei Polarisationswellenanteile auf einen Wellenleiter zu koppeln, wenn der transversale elektrische Wel lenanteil und der transversale magnetische Wellenanteil bei einem derartigen Aufbau auf die beiden optischen Ausgangswellen leiter gegeben werden.

Die integrierte optische Polarisationsvorrichtung, die in Fig. 2A dargestellt ist, wird in der folgenden Weise gebildet. Der Wellenleiter 5, über den zwei senkrecht zueinander stehende Polarisationswellenanteile gleichzeitig gehen können, wird im integrierten optischen Substrat 11 ausgebildet. Der Wellenleiter 6 wird gleichfalls im integrierten optischen Substrat 11 so ausgebildet, daß er parallel zum Wellenleiter 5 verläuft, davon allerdings um einen bestimmten Abstand von einigen µm über die Kopplungslänge lc getrennt ist, und die Wellenleiter 5 und 6 um eine größere Strecke an den anderen Teilen als der Kopplungs länge lc voneinander getrennt sind. Der Wellenleiter 6 kann eine der beiden Polarisationswellenanteile hindurchlassen. Das inte grierte optische Substrat kann aus LiNbO₃, einem Kristallmaterial oder einem Polymermaterial mit Doppelbrechung bestehen.

Die Arbeitsweise der Weiche und des Kopplers, die in Fig. 2A dargestellt sind, kann durch eine Darstellung der Zunahme der effektiven Brechungsindizes für den transversalen elektrischen Wellenanteil und den transversalen magnetischen Wellenanteil in den gekoppelten optischen Wellenleiterbereichen erläutert wer den, die in Fig. 3A und 3B dargestellt ist.

Fig. 3A zeigt in einer graphischen Darstellung die Zunahme ΔN_TE des Brechungsindex für den transversalen elektrischen Wel lenanteil bezüglich der beiden Wellenleiter 5 und 6, die in Fig. 2A dargestellt sind.

Fig. 3A zeigt, daß die Brechungsindizes der jeweiligen Wellenleiter 5 und 6 bezüglich des transversalen elektrischen Wellenanteils höher als die des integrierten optischen Substra tes 4 am Schnittpunkt A-A′ in Fig. 2A sind.

Fig. 3B zeigt in einer graphischen Darstellung die Zunahme ΔN_TM im Brechungsindex für den transversalen magnetischen Wellen anteils der jeweiligen Wellenleiter 5 und 6 von Fig. 2A.

Wie es in Fig. 3B dargestellt ist, ist der Brechungsindex des Wellenleiters 5 bezüglich des transversalen magnetischen Wellenanteils höher als der des integrierten optischen Substra tes 11, ist jedoch der Brechungsindex des Wellenleiters 6 dies bezüglich niedriger als der des integrierten optischen Substra tes 11 am Schnittpunkt A-A′ in Fig. 2A. Da der effektive Bre chungsindex des optischen Wellenleiters 6 bezüglich des trans versalen magnetischen Wellenanteils abnimmt und der Brechungs index des optischen Wellenleiters 6 somit kleiner als der des Substrates ist, ist der Effekt des optischen Wellenleiters 6 bezüglich des transversalen magnetischen Wellenanteils vernach lässigbar. Der transversale magnetische Wellenanteil geht daher zum optischen Wellenleiter 5.

Fig. 3C zeigt in einer graphischen Darstellung die Zunahme ΔN_TE im Brechungsindex für den transversalen elektrischen Wellen anteil der jeweiligen Wellenleiter 8 und 9, die in Fig. 2B dar gestellt sind. Am Schnittpunkt B-B′ in Fig. 2B ist der Bre chungsindex des Wellenleiters 8 bezüglich des transversalen elektrischen Wellenanteils höher als der des integrierten opti schen Substrates 21, ist jedoch der Brechungsindex des Wellen leiters 9 niedriger als der des integrierten optischen Substra tes 21.

Fig. 3D zeigt in einer graphischen Darstellung die Zunahme ΔN_TM des Brechungsindex für den transversalen magnetischen Wel lenanteils der jeweiligen Wellenleiter 8 und 9, die in Fig. 2B dargestellt sind.

Wie es in Fig. 3D dargestellt ist, sind die Brechungsindi zes der jeweiligen Wellenleiter 8 und 9 am Schnittpunkt B-B′ in Fig. 2B für den transversalen magnetischen Wellenanteil höher als der Brechungsindex des integrierten optischen Substrates 21.

Der transversale magnetische Wellenanteil wird somit 100% in den gekoppelten Wellenleiter eingekoppelt und zum Wellenlei ter 9 ausgegeben, während der transversale elektrische Wellen anteil weiter zum optischen Wellenleiter 8 geht, da die Änderung im effektiven Brechungsindex des optischen Wellenleiters 9 be züglich des transversalen elektrischen Wellenanteils negativ ist und der Brechungsindex des Wellenleiters 9 niedriger als der des Substrates 21 ist, so daß der Effekt des optischen Wellenleiters diesbezüglich vernachlässigbar ist.

Wenn polarisierte transversale elektrische Wellenanteile und transversale magnetische Wellenanteile eingegeben werden und die Richtungen der Eingabe und Ausgabe umgekehrt werden, dann arbeitet die Fig. 2B dargestellt Polarisationsweiche als Polari sationskoppler, der die transversalen elektrischen und transver salen magnetischen Wellenanteile auf einen optischen Ausgangs wellenleiter 8 ohne Verlust an optischer Leistung koppelt.

Bei einer optischen Nachrichtenverbindung unter Verwendung einer optischen Einmodenfaser wird aufgrund der Tatsache, daß die Polarisation in der optischen Einmodenfaser nicht aufrech terhalten wird, ein empfangenes optisches Signal oftmals dadurch verarbeitet, daß dieses in jeweilige Polarisationsmoden aufge teilt wird, wenn dem optischen Signal kein pol?? von der Polari sation abhängt. Eine derartige Polarisationsweiche ist für eine beliebige Eingangspolarisation zweckmäßig und kann als Polarisa tionskoppler benutzt werden, wenn das optische Signal über eine optische Einmodenfaser gehen soll, nachdem die Signale nach ihrer jeweiligen Polarisation verarbeitet wurden.

Die oben beschriebene Polarisationsvorrichtung, die bei spielsweise als Polarisationsweiche oder Polarisationskoppler arbeitet, und Polarisationsmoden aufteilt und koppelt, kann über einen einfachen Herstellungsvorgang hergestellt werden, ohne daß schwierige Arbeitsprozesse zur Festlegung eines genauen Verzwei gungswinkel bei der herkömmlichen Y-Weiche benötigt werden.

Claims

1. Integrierte optische Polarisationsvorrichtung gekenn zeichnet durch
einen ersten Wellenleiter (5, 8), der gleichzeitig zwei Wellenanteile, deren Polarisationen senkrecht zueinander stehen, durch ein integriertes optisches Substrat hindurchlassen kann, und
einen zweiten Wellenleiter (6, 9), der eine der beiden Polarisationswellenanteile durch das integrierte optische Sub strat hindurchlassen kann und einen Kopplungsbereich, der über eine bestimmte Strecke und in einem bestimmten Abstand vom er sten Wellenleiter (5, 8) angeordnet ist, und einen Nichtkopp lungsbereich aufweist, der so angeordnet ist, daß der erste und der zweite Wellenleiter (5, 8, 6, 9) an den anderen Teilen als der bestimmten Strecke über einen größeren Abstand als den be stimmten Abstand getrennt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des ersten Wellenleiters (5, 6) gleich dem des zweiten Wellenleiters (8, 9) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Kopplungsbereiches gleich der Kopplungslänge oder ein ungeradzahliges Vielfaches der Kopplungslänge ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte optische Substrat aus LiNbO₃, einem optischen Polymermaterial oder einem Halbleitermaterial mit Doppelbrechung besteht.