DE19816674A1

DE19816674A1 - Optical component and method for switching or modulating light

Info

Publication number: DE19816674A1
Application number: DE1998116674
Authority: DE
Inventors: Thomas Pertsch; Christoph Waechter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-04-15
Filing date: 1998-04-15
Publication date: 1999-10-28
Also published as: WO1999053365A1

Abstract

The invention relates to an optical component and to a method for switching or modulating light. Said optical component has an area for coupling in light, an area for coupling out light and a waveguide (8) located between these two areas. Said waveguide (8) is adjacent to a diffraction area (3) and at least one of the waveguide (8) and the diffraction area (3) consists of a material with a modifiable index of refraction. A device for modifying the index of refraction of the waveguide (8) in relation to the index of refraction of the diffraction area (3) is also provided. The waveguide (8) has at least one total reflecting delimiting section (4) and is adjacent to the refraction area (3) on a side facing this limiting section. The device for modifying the index of refraction is situated essentially vertically in relation to the total reflecting limiting section (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement ent haltend ein Material mit veränderbarer Brechzahl sowie ein Verfahren zum Schalten oder Modulieren von Licht.The invention relates to an optical component ent holding a material with a variable refractive index and a method for switching or modulating Light.

Die auf Lichtwellenleitern basierende Nachrichten technik mit den hierfür benötigten Signalübertra gungs- und Signalverarbeitungseinheiten erfordert optische Bauelemente zum direkten Schalten von opti schen Übertragungswegen sowie optische Bauelemente zur Modulation der Intensität optischer Quellen. Derartige Bauelemente umfassen u. a. Intensitäts- und Phasenmodulatoren, Schalter zum Umschalten von Sig nalpfaden sowie Schaltmatrizen, welche auf dem elek trooptischen, elastooptischen oder thermooptischen Effekt in einem Material mit veränderbarer Brechzahl beruhen. Das Verhalten dieser Bauelemente wird durch Parameter wie Einfügedämpfung, Übersprechdämpfung bzw. Signal-Rausch-Abstand, Schaltzeiten, Integra tionsgrad und Verlustleistung der zur Ansteuerung benötigten elektrischen Signale beschrieben.The messages based on optical fibers technology with the required signal transmission tion and signal processing units required optical components for direct switching of opti transmission paths and optical components for modulating the intensity of optical sources. Such components include u. a. Intensity and Phase modulators, switches for switching sig Paths and switching matrices, which are on the elec trooptic, elasto-optical or thermo-optical Effect in a material with a variable refractive index are based. The behavior of these components is determined by Parameters such as insertion loss, crosstalk attenuation or signal-to-noise ratio, switching times, integra Degree and power loss of the control electrical signals required.

Die meisten Schaltelemente beruhen entweder auf quasi-adiabatischer Modenkonversion, auf Modeninter ferenz oder auf der Auslöschung der Wellenleitung. Quasi-adiabatische Elemente haben den Nachteil einer großen Bauelementlänge und einer damit verbundenen hohen Einfügedämpfung aufgrund der inhärenten Wellen leiterdämpfung. Die auf Interferenzeffekten beruhen den Bauelemente sind bezüglich der Herstellungs toleranzen, der Schwankungen der Betriebsbedingungen und der Lichtwellenlänge sehr empfindlich. Dies macht sie zur Realisierung digitaler Schalter, insbesondere für mehr als eines der optischen Nachrichtenfenster, ungeeignet. Die heute bekannten Verfahren zur Auslö schung der Wellenleitung erfordern eine sehr starke Modifikation der Wellenleiterparameter.Most switching elements are based on either quasi-adiabatic fashion conversion, on fashion inter reference or on the cancellation of the waveguide. Quasi-adiabatic elements have the disadvantage of one large component length and an associated high insertion loss due to the inherent waves wire loss. Which are based on interference effects the components are related to the manufacturing tolerances, fluctuations in operating conditions and the wavelength of light very sensitive. This does they to implement digital switches, in particular for more than one of the optical message windows, not suitable. The tripping methods known today waveguide require a very strong Modification of the waveguide parameters.

Aus der US 4 648 687 ist ein optischer Schalter ba sierend auf einem Substrat mit temperaturabhängiger Brechzahl bekannt. Auf zwei gegenüberliegenden Sub stratseiten sind ein Eingangswellenleiter und ein Ausgangswellenleiter mit einer höheren Brechzahl als das Substrat angeordnet. Im Bereich zwischen dem Ein gangswellenleiter und dem Ausgangswellenleiter ist auf das Substrat eine streifenförmige Heizelektrode aufgebracht. Im nichtaktivierten Zustand der Heiz elektrode werden die aus dem Eingangswellenleiter austretenden Lichtwellen zum Großteil in unterschied lichen Richtungen in das Substrat gebeugt und nur ein geringer Anteil der Lichtwellen gelangt in den Aus gangswellenleiter. Im aktivierten Zustand der Heiz elektrode wird die temperaturabhängige Brechzahl des Substrates lokal zwischen Eingangswellenleiter und Ausgangswellenleiter erhöht und der beheizte Sub stratbereich fungiert als ein die Strecke zwischen Eingangswellenleiter und Ausgangswellenleiter über brückender Wellenleiter.An optical switch ba is known from US Pat. No. 4,648,687 based on a substrate with temperature-dependent Refractive index known. On two opposite sub stratseiten are an input waveguide and a Output waveguide with a higher refractive index than arranged the substrate. In the area between the one gear waveguide and the output waveguide a strip-shaped heating electrode on the substrate upset. The heating is not activated electrode become that from the input waveguide emerging light waves for the most part in difference directions bent into the substrate and only one small proportion of light waves come out optical waveguide. When heating is activated the temperature-dependent refractive index of the Substrate locally between the input waveguide and Output waveguide increased and the heated sub Stratbereich acts as a the route between Input waveguide and output waveguide via bridging waveguide.

Nachteilig bei diesem Schalter ist jedoch, daß, um das Bauelement auf Durchgang zu schalten, erst zwei laterale und ein dazu senkrechtes Wellenleitergrenz profil mit einem Brechzahlunterschied zum Substrat generiert werden müssen. Insbesondere die beiden la teralen Grenzprofile sind meist diffus und nicht be friedigend zueinander ausgerichtet, so daß auch im durchgeschalteten Zustand des Bauelementes eine nicht vernachlässigbare Dämpfung des im Wellenleiter ge führten Lichts zu beobachten ist. Nachteilig ist wei terhin, daß induzierte Brechzahlvariationen mit den geometrischen Abmessungen von Standardmonomodewellen leitern technologisch aufwendig zu realisieren sind.A disadvantage of this switch, however, is that, um to switch the component to continuity, only two lateral and a perpendicular waveguide boundary profile with a refractive index difference to the substrate must be generated. In particular the two la teral limit profiles are mostly diffuse and not be aligned peacefully with each other, so that even in the switched-through state of the component is not a negligible attenuation of the ge in the waveguide led light is observed. The disadvantage is white further that induced refractive index variations with the geometric dimensions of standard single mode waves ladders are technologically complex to implement.

Ausgehend von den Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein opti sches Bauelement und ein Verfahren zum Schalten und Modulieren von Licht anzugeben, welche im durchge schalteten Zustand eine vernachlässigbare Dämpfung aufweisen. Das Bauelement sollte darüber hinaus tech nologisch einfach zu strukturieren sein und geringe Fertigungstoleranzen aufweisen.Based on the disadvantages of the prior art is the object of the invention, an opti cal component and a method for switching and To indicate modulation of light, which is switched state a negligible damping exhibit. The device should also tech be structurally simple and low Show manufacturing tolerances.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein optisches Bau element nach Anspruch 1 und in verfahrenstechni scher Hinsicht durch Anspruch 17. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung. This task is solved by an optical construction element according to claim 1 and in procedural in terms of claim 17. The respective Subclaims relate to advantageous developments and embodiments of the invention.

Das erfindungsgemäße optische Bauelement weist einen zwischen einem Lichteinkoppelbereich und einem Licht- Auskoppelbereich angeordneten Wellenleiter auf, der mindestens ein totalreflektierendes erstes Grenz profil besitzt und auf einer diesem ersten Grenz profil gegenüberliegenden Seite an einen Beugungs bereich grenzt. Entweder Wellenleiter oder Beugungs bereich oder beide bestehen aus einem Material mit veränderbarer Brechzahl.The optical component according to the invention has one between a light coupling area and a light Coupling area arranged waveguide, the at least one totally reflective first border profile owns and on one of these first borders opposite side to a diffraction area borders. Either waveguide or diffraction area or both consist of a material with changeable refractive index.

Ungefähr senkrecht zum totalreflektierenden ersten Grenzprofil des Wellenleiters ist eine bevorzugt planare Vorrichtung zur Brechzahländerung vorteil hafterweise direkt auf den Wellenleiter oder direkt auf eine zwischen Wellenleiter und Aktuator angeord nete Zwischenschicht aufgebracht. Mit Hilfe dieser Vorrichtung ist z. B. auf elektrooptische, thermoop tische oder elastooptische Weise die Brechzahl des Wellenleiters relativ zur Brechzahl des Beugungsbe reiches veränderbar. Bei elastooptischer (z. B. akus tooptischer) Beeinflussung der Brechzahl kann die Vorrichtung zur Brechzahlvariation auch etwas beab standet von der Bauelementoberfläche angeordnet sein oder sich nur in losem Kontakt zur Bauelementober fläche befinden. So kann die Vorrichtung keilförmig ausgestaltet sein und die Brechzahländerung durch Druck der Keilspitze auf die Bauelementoberfläche induziert werden.Roughly perpendicular to the totally reflective first A limiting profile of the waveguide is preferred planar device for refractive index change advantageous liability directly on the waveguide or directly arranged on one between the waveguide and the actuator nete intermediate layer applied. With the help of this The device is e.g. B. on electro-optical, thermoop table or elasto-optical way the refractive index of the Waveguide relative to the refractive index of the diffraction rich changeable. In the case of elasto-optical (e.g. acous the optical refractive index can be influenced Refractive index variation device also a little dist stands be arranged from the component surface or only in loose contact with the top of the component area. So the device can be wedge-shaped be designed and the refractive index change by Pressure of the wedge tip on the component surface be induced.

Unter Grenzprofil ist erfindungsgemäß ein Übergang von einem Bereich mit einer ersten Brechzahl zu einem Bereich mit einer zweiten Brechzahl, die sich von der ersten Brechzahl unterscheidet, zu verstehen. Dieser Übergang kann sprungartig (Stufenindexwellenleiter) oder auch kontinuierlich (Gradientenwellenleiter) ausgestaltet sein. Im ersten Fall kann von einer Grenzfläche gesprochen werden, im zweiten Fall von einem Grenzbereich.According to the invention there is a transition under the boundary profile from an area with a first refractive index to one Range with a second refractive index that differs from that first refractive index differs to understand. This Transition can be abrupt (step index waveguide) or also continuously (gradient waveguide) be designed. In the first case, one can Interface are spoken of, in the second case of a border area.

Ist bei nichtaktivierter Vorrichtung zur Brechzahl änderung die Brechzahl des Beugungsbereiches geringer als die Brechzahl des Wellenleiters, ist der Wellen leiter auf Durchgang geschaltet. Das in den Wellen leiter eingekoppelte Licht wird zwischen dem total reflektierenden ersten Grenzprofil und einem zwischen Wellenleiter und Beugungsbereich angeordneten, eben falls totalreflektierenden zweiten Grenzprofil zum Lichtauskoppelbereich geführt. Durch Aktivierung der Vorrichtung wird nun entweder die Brechzahl des Beu gungsbereiches angehoben oder die Brechzahl des Wel lenleiters abgesenkt. Ist die Brechzahl des Wellen leiters ungefähr gleich oder geringer als die Brech zahl des Beugungsbereiches, verliert das zweite Grenzprofil seine totalreflektierende und der Wellen leiter damit seine wellenleitende Eigenschaft. Das in den Wellenleiter eingekoppelte Licht tritt daher zu mindest teilweise in den Beugungsbereich ein und der Ausgangssignalpegel im Lichtauskoppelbereich sinkt.Refractive index device is not activated Change the refractive index of the diffraction area less than the refractive index of the waveguide is the wave conductor switched to continuity. That in the waves light coupled in between the total reflective first boundary profile and a between Waveguide and diffraction area arranged, even if totally reflecting second limit profile for Light decoupling area led. By activating the Device is now either the refractive index of the Beu range increased or the refractive index of the wel lenleiters lowered. Is the refractive index of the waves conductor approximately equal to or less than the crushing number of the diffraction area, the second loses Border profile its totally reflective and the waves with it its waveguiding property. This in light coupled into the waveguide therefore occurs at least partially in the diffraction area and the Output signal level in the light decoupling area drops.

Ist dagegen bei nichtaktivierter Vorrichtung zur Brechzahländerung die Brechzahl des Beugungsbereiches gleich oder höher als die Brechzahl des Wellen leiters, tritt das in den Wellenleiter eingekoppelte Licht sofort in den Beugungsbereich ein. Der Aus gangssignalpegel im Lichtauskoppelbereich ist gering. Durch Aktivierung der Vorrichtung kann nun entweder die Brechzahl des Beugungsbereiches abgesenkt oder die Brechzahl des Wellenleiters erhöht werden. Ist die Brechzahl des Wellenleiters höher als die Brech zahl des Beugungsbereiches, so ist der Wellenleiter auf Durchgang geschaltet. Das eingekoppelte Licht wird zwischen totalreflektierendem ersten Grenzprofil und einem zwischen Wellenleiter und Beugungsbereich ausgebildeten totalreflektierenden zweiten Grenzprofil zum Lichtauskoppelbereich geführt. Der Ausgangssignalpegel steigt.On the other hand, if the device is not activated Refractive index change the refractive index of the diffraction area equal to or higher than the refractive index of the waves conductor, that which is coupled into the waveguide occurs Light immediately into the diffraction area. The end output signal level in the light decoupling area is low. By activating the device you can either the refractive index of the diffraction area is reduced or the refractive index of the waveguide can be increased. Is the refractive index of the waveguide is higher than the refraction number of the diffraction area, this is the waveguide switched to continuity. The coupled light becomes between totally reflective first border profile and one between the waveguide and the diffraction area trained totally reflective second Boundary profile led to the light decoupling area. Of the Output signal level increases.

Erfindungsgemäß erfährt das aus dem Lichteinkoppel bereich in den Wellenleiter eintretende. Licht bei hinreichend geringer Brechzahldifferenz zwischen Wel lenleiter und Beugungsbereich oder wenn die Brechzahl des Wellenleiters geringer ist als die Brechzahl des Beugungsbereiches eine vorteilhafte asymmetrische Beugung am totalreflektierenden ersten Grenzprofil. Asymmetrisch bedeutet, daß an der totalreflektieren den ersten Grenzfläche das Intensitätsmaximum des Lichtstrahles in den Beugungsbereich abgelenkt wird.According to the invention, this is learned from the coupling of light area entering the waveguide. Light at sufficiently small difference in refractive index between wel conductor and diffraction area or if the refractive index of the waveguide is less than the refractive index of the Diffraction area an advantageous asymmetrical Diffraction at the totally reflecting first limit profile. Asymmetric means that at the total reflect the first interface the intensity maximum of Light beam is deflected into the diffraction area.

Erfindungsgemäß läßt sich die Dämpfung des optischen Bauelementes erhöhen, indem dem Wellenleiter zumin dest bereichsweise die Form eines Kreisbogens oder eine andere gekrümmte Kontur gegeben wird. Auf die im nicht durchgeschalteten Zustand des Wellenleiters zum Lichtauskoppelbereich gelangende Restintensität läßt sich dann sowohl über die Länge des Wellenleiters als auch z. B. über den Kreisbogenradius Einfluß nehmen. Durch eine Variation des Kreisbogenradius lassen sich die Bauelementparameter in einem weiten Bereich an die durch die äußere Beschaltung erzeugbaren Brech zahlvariationen anpassen und eine vorgegebene Bauele mentlänge und Signalunterdrückung realisieren. Je kleiner der Kreisbogenradius gewählt wird, umso höher ist die Signaldämpfung des Bauelementes im nicht auf Durchgang geschalteten Zustand und desto geringer kann folglich die Bauelementgröße gewählt werden. Die Brechzahländerung an den totalreflektierenden Grenz flächen zum Wellenleiter wirkt bei einem vorgegebenen Signalpegel im Lichtauskoppelbereich begrenzend auf die Wahl des Kreisbogenradius, da ein geringerer Radius eine größere Brechzahländerung erfordert.According to the invention, the attenuation of the optical Increase device by at least the waveguide at least in some areas the shape of an arc or another curved contour is given. On the in not switched through state of the waveguide Luminous decoupling area leaves residual intensity then over the length of the waveguide as well also z. B. influence over the arc radius. By varying the radius of the arc, the component parameters in a wide range the crushing that can be generated by the external wiring Adjust number variations and a given component Realize ment length and signal suppression. Each the smaller the arc radius is chosen, the higher the signal attenuation of the component is not on Continuity switched state and the lower the component size can therefore be selected. The Change in refractive index at the totally reflecting limit surfaces to the waveguide acts at a given Limiting the signal level in the light decoupling area the choice of the arc radius because a smaller one Radius requires a major change in refractive index.

Die einstellbaren Parameter des Bauelementes ermög lichen eine gute Anpassung des Schaltprinzips an die durch eine jeweilige Wellenleiterherstellungstech nologie vorgegebenen Geometrie- und Brechzahlver hältnisse sowie an den mit einem bestimmten Schalt prinzip aktiv zu erzeugenden Brechzahlunterschied. Damit ist das erfindungsgemäße Funktionsprinzip für praktisch alle Wellenleitervarianten, wie Streifen-, Rippen-, vergrabene Streifen-, Monomode- und Multi modewellenleiter sowie Monomodewellenleiter mit großem Querschnitt, und deren spezielle Herstel lungstechnologien und Materialien einsetzbar.The adjustable parameters of the component enable lichen a good adaptation of the switching principle to the through a respective waveguide manufacturing tech geometry and refractive index ver conditions as well as to those with a certain switching principle of actively generating refractive index difference. The operating principle according to the invention is thus for practically all waveguide variants, such as stripe, Rib, buried stripe, monomode and multi fashion waveguide and single mode waveguide with large cross-section, and their special manufacture technologies and materials can be used.

Bei den auf Materialien mit veränderbarer Brechzahl beruhenden optischen Bauelementen des Standes der Technik werden beide laterale Begrenzungen des Wel lenleiters durch eine induzierte Brechzahlvariation definiert, was eine streifenförmige Ausgestaltung des die Brechzahl beeinflussenden Aktuators entsprechend den Wellenleiterdimensionen erfordert. Induzierte Brechzahlvariationen mit den geometrischen Abmessun gen von beispielsweise Standardmonomodewellenleitern von ungefähr 4 bis 10 Mikrometern sind technologisch jedoch schwierig zu realisieren und bedingen geringe Fertigungstoleranzen. Jede Fertigungsungenauigkeit führt zu einer Dämpfung des im durchgeschalteten Zu stand des Bauelementes geführten Lichtes. In the case of materials with a variable refractive index based optical components of the state of the Technique are both lateral boundaries of the wel lenleiters by an induced refractive index variation defines what a stripe shape of the the actuator influencing the refractive index accordingly the waveguide dimensions. Induced Variations in refractive index with the geometric dimensions conditions of, for example, standard single-mode waveguides from about 4 to 10 microns are technological however difficult to implement and require little Manufacturing tolerances. Any manufacturing inaccuracy leads to a damping of the closed through level of the component led light.

Bei dem erfindungsgeinäßen Bauelement dagegen ist auf grund der vorteilhaften asymmetrischen Beugung stets zumindest eine laterale Begrenzung, nämlich das totalreflektierende erste Grenzprofil, vorstruktu riert. Das durch induzierte Brechzahlvariation ge nerierte oder abgebaute zweite laterale Grenzprofil erlaubt vorteilhafterweise erhöhte Fertigungstoleran zen bei der Strukturierung bzw. Positionierung der Vorrichtung zur Brechzahlvariation, da nur eine Seitenfläche der Vorrichtung exakt positioniert wer den muß. Außerdem kann die Vorrichtung selbst in der Regel großflächiger strukturiert werden, da sich der Wirkungsbereich der Vorrichtung ausgehend von dem zu induzierenden oder abzubauenden zweiten lateralen Grenzprofil des Wellenleiters prinzipiell beliebig weit in Richtung des an das totalreflektierende erste Grenzprofil angrenzenden Mediums oder in Richtung Beugungsbereich erstrecken kann. Die Dämpfungsver luste des erfindungsgemäßen optischen Bauelementes sind im durchgeschalteten Zustand aufgrund des vor strukturierten Grenzprofils deutlich geringer als bei Bauelementen des Standes der Technik.In contrast, the component according to the invention is based on always due to the advantageous asymmetrical diffraction at least one lateral boundary, namely that totally reflective first border profile, vorstruktu riert. That caused by induced refractive index variation nerated or degraded second lateral border profile advantageously allows increased manufacturing tolerance zen when structuring or positioning the Refractive index variation device since only one Side surface of the device positioned exactly who that must. In addition, the device itself in the Usually be structured over a larger area because the Effective range of the device based on that inducing or degrading second lateral In principle, any limit profile of the waveguide far towards the total reflective first Boundary profile adjacent medium or in the direction Diffraction area can extend. The damping ver luste of the optical component according to the invention are in the connected state due to the structured limit profile significantly lower than in Prior art devices.

Neben den beiden lateralen Grenzprofilen sind für eine befriedigende Führung des Lichtes im Wellen leiter zwei weitere, zu den lateralen Grenzprofilen senkrecht angeordnete Grenzprofile wünschenswert. Diese Grenzprofile können beispielsweise durch das Anordnen des Wellenleiters zwischen zwei Schichten eines niedriger brechenden Materials (z. B. Luft, Polymer, usw.) ausgebildet werden. Ist die Vorrich tung zur Brechzahlvariation oberhalb des Wellen leiters angeordnet, kann ein unteres Grenzprofil auch durch eine bestimmte Tiefe oder einen in die Tiefe gerichteten Brechzahlgradienten der aktuatorinduzier ten Brechzahlvariation generiert werden.In addition to the two lateral border profiles for a satisfactory guidance of the light in the waves head two more to the lateral limit profiles vertically arranged border profiles desirable. These limit profiles can, for example, by the Placing the waveguide between two layers a lower refractive material (e.g. air, Polymer, etc.) are formed. Is the master the refractive index variation above the wave conductor arranged, a lower limit profile can also by a certain depth or one in depth directed refractive index gradients of the actuator th refractive index variation can be generated.

Weitere Einzelheiten und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:Further details and preferred configurations the invention result from the figures and the Exemplary embodiments described below. It demonstrate:

Fig. 1a bis 1d verschiedene Möglichkeiten zur Generierung eines Brechzahlsprun ges zwischen Wellenleiter und Beugungsbereich; und Fig. 1a to 1d different ways of generating a refractive index jump between waveguide and diffraction area; and

Fig. 2 bis 6 verschiedene Ausgestaltungen er findungsgemäßer optischer Bauelemente. Fig. 2 to 6 different embodiments of he inventive optical components.

Obwohl die Erfindung auch alle Ausgestaltungen des optischen Bauelementes umfaßt, welche auf einer Ver ringerung einer vorstrukturierten Brechzahldifferenz zwischen Wellenleiter und Beugungsbereich beruhen und die daher ohne externe Beschaltung auf Durchgang ge schaltet sind, werden nachfolgend exemplarisch opti sche Bauelemente beschrieben, welche ohne externe Beschaltung das eingekoppelte Licht dämpfen. In den Fig. 1a bis 1d sind beispielhafte Mechanismen skiz ziert, wie derartige Baueleinente auf Durchgang ge schaltet werden können. Dabei ist jedesmal die Varia tion des Effektiven-Index-Profils in x-Richtung sowie die relative Position der Vorrichtung 15 zur Brech zahlvariation dargestellt. Das Effektive-Index-Profil kann dabei beispielsweise als Querschnittsprofil y(x) des Wellenleiters 8 oder als Brechzahlprofil n(x) einer Schicht homogener Dicke (GRIN) verstanden wer den. Although the invention also encompasses all configurations of the optical component which are based on a reduction in a pre-structured refractive index difference between the waveguide and the diffraction region and which are therefore switched to continuity without external circuitry, exemplary optical components are described below, which are coupled in without external circuitry Dimming light. In Fig. 1a to 1d exemplary mechanisms are sketched how such building elements can be switched to ge passage. Each time the variation of the effective index profile in the x direction and the relative position of the device 15 for refractive index variation is shown. The effective index profile can be understood, for example, as a cross-sectional profile y (x) of the waveguide 8 or as a refractive index profile n (x) of a layer of homogeneous thickness (GRIN).

Die gestrichelte Linie gibt die örtliche Variation des Effektiven-Index-Profils bei aktivierter Vorrich tung 15 wieder.The dashed line shows the local variation of the effective index profile with device 15 activated.

Gemäß Fig. 1a bildet sich die totalreflektierende erste Grenzprofil 4 zwischen dem Wellenleiter 8 und einem Medium 20 mit geringerer Brechzahl (z. B. Luft) aus. Beugungsbereich 3 und Wellenleiter 8 sind aus demselben Material mit Verringerbarer Brechzahl ge fertigt. Die Vorrichtung 15 zur Brechzahlvariation erstreckt sich über einen Teil des Beugungsbereichs 3, wobei ein Randbereich 17 der Vorrichtung 15 die ungefähre Lage der zweiten totalreflektierenden Grenzprofil 9 bei Schaltung des Bauelementes auf Durchgang (gestrichelte Linie) definiert.According to FIG. 1a, the totally reflecting first boundary profile 4 is formed between the waveguide 8 and a medium 20 with a lower refractive index (e.g. air). Diffraction area 3 and waveguide 8 are made of the same material with a reduced refractive index. The device 15 for varying the refractive index extends over a part of the diffraction area 3 , an edge area 17 of the device 15 defining the approximate position of the second totally reflecting limit profile 9 when the component is switched to a continuity (dashed line).

In Fig. 1b sind Medium 20, Wellenleiter 8 und Beu gungsbereich 3 aus demselben Material mit erhöhbarer Brechzahl gefertigt, wobei die Brechzahl von Wellen leiter 8 und Beugungsbereich 3 gegenüber der Brech zahl von Medium 20 z. B. durch Ionenaustausch erhöht wurde. Die Vorrichtung 15 erstreckt sich von dem zweiten Grenzprofil 9 in Richtung Medium 20. Durch Aktivierung der Vorrichtung 15 wird die Brechzahl von Wellenleiter 9 relativ zur Brechzahl des Beugungs bereiches 3 angehoben, wobei das totalreflektierende Grenzprofil 4 zwischen Wellenleiter 8 und Medium 20 im wesentlichen erhalten bleibt.In Fig. 1b medium 20 , waveguide 8 and diffraction area 3 are made of the same material with an increased refractive index, the refractive index of waveguide 8 and diffraction area 3 compared to the refractive index of medium 20 z. B. was increased by ion exchange. The device 15 extends from the second boundary profile 9 in the direction of the medium 20 . By activating the device 15 , the refractive index of the waveguide 9 is increased relative to the refractive index of the diffraction region 3 , the totally reflecting boundary profile 4 between the waveguide 8 and the medium 20 being essentially retained.

In Fig. 1c sind Medium 20, Wellenleiter 8 und Beu gungsbereich 3 ebenfalls aus demselben Material mit erhöhbarer Brechzahl gefertigt. Der Wellenleiter 8 wird auf einer Seite durch ein lokal in das Bauele ment eingebrachtes Medium 18 mit einer niedrigeren Brechzahl begrenzt. Die Vorrichtung 15 erstreckt sich von der zweiten Grenzfläche 9 über das Medium 20. Wird die Vorrichtung 15 aktiviert, erhöht sich die Brechzahl lokal im Gebiet des Wellenleiters 8, wäh rend sie in den den Wellenleiter 8 lateral begrenzen den Gebieten 18 und 3 im wesentlichen unverändert bleibt.In Fig. 1c medium 20 , waveguide 8 and diffraction area 3 are also made of the same material with an increased refractive index. The waveguide 8 is limited on one side by a medium introduced locally into the component 18 with a lower refractive index. The device 15 extends from the second interface 9 over the medium 20 . If the device 15 is activated, the refractive index increases locally in the area of the waveguide 8 , while it remains essentially unchanged in the areas 18 and 3 laterally delimiting the waveguide 8 .

Die in Fig. 1d dargestellte Anordnung entspricht in ihrer Funktionsweise der Anordnung von Fig. 1a. Das dargestellte Effektive-Index-Profil stellt im Brech zahlraum n(x) einen Wellenleiter 8 dar, der einen Brechzahlgradienten (Grenzbereiche 4,9) zu den be nachbarten Medien 20, 3 aufweist. Im Ortsraum y(x) entspricht das Effektive-Index-Profil einem Rippen wellenleiter 8 mit schrägen Seitenflächen 4, 9.The arrangement shown in FIG. 1d corresponds in its mode of operation to the arrangement in FIG. 1a. The effective index profile shown represents in the refractive index space n (x) a waveguide 8 which has a refractive index gradient (boundary regions 4 , 9 ) to the adjacent media 20 , 3 . In the local space y (x), the effective index profile corresponds to a rib waveguide 8 with sloping side surfaces 4 , 9 .

In Fig. 2 ist ein auf dem in Fig. 1a dargestellten Prinzip beruhendes optisches Bauelement skizziert. Lichteinkoppelbereich und Lichtauskoppelbereich sind als Eingangswellenleiter 1 und Ausgangswellenleiter 2 ausgebildet und auf einem Substrat angeordnet. Ein gangswellenleiter 1, Ausgangswellenleiter 2, Wellen leiter 8 und Beugungsbereich 3 bestehen aus demselben Material und weisen daher die gleiche Brechzahl auf. Sie wurden zusammen strukturiert. Eine alternative Ausführungsform sieht vor, auf Eingangswellenleiter 1 und Ausgangswellenleiter 2 zu verzichten und die Stirnflächen des Wellenleiters 8, z. B. in Form der Seitenflächen des optischen Bauelementes, direkt als Lichteinkoppelbereich und Lichtauskoppelbereich zu verwenden.An optical component based on the principle shown in FIG. 1a is sketched in FIG. 2. Light coupling-in area and light coupling-out area are designed as input waveguide 1 and output waveguide 2 and arranged on a substrate. A waveguide 1 , output waveguide 2 , waveguide 8 and diffraction region 3 are made of the same material and therefore have the same refractive index. They were structured together. An alternative embodiment provides to dispense with input waveguide 1 and output waveguide 2 and the end faces of the waveguide 8 , for. B. in the form of the side surfaces of the optical component to be used directly as a light coupling area and light coupling area.

Zwischen dem Medium 20 und dem höher brechenden Wel lenleiter 8 ist ein totalreflektierendes Grenzprofil 4 ausgebildet. Die Dämpfungseigenschaften des opti schen Bauelementes im nicht durchgeschalteten Zustand sind charakterisiert durch die Länge d des Wellenlei ters 8, durch den Krümmungsradius R bzw. die Winkel α sowie durch die jeweiligen Materialkonstanten. Der Krümmungsradius R kann unendlich groß sein, so daß der Wellenleiter 8 eine lineare Form besitzt.Between the medium 20 and the higher refractive Wel lenleiter 8 , a totally reflecting boundary profile 4 is formed. The damping properties of the optical component's in the non-switched state are characterized by the length d of the waveguide 8 , by the radius of curvature R or the angle α and by the respective material constants. The radius of curvature R can be infinitely large, so that the waveguide 8 has a linear shape.

Der als Film ausgebildete Beugungsbereich 3 besitzt eine Länge w. Die Ausdehnung w des Beugungsbereiches 3 ist hinreichend groß zu wählen, so daß die an der Grenzfläche 10 reflektierten Wellenanteile innerhalb der Länge d nicht zum Ausgangswellenleiter 2 zurück kehren. In diesem Fall kann der Beugungsbereich 3 optisch als Halbraum oder Viertelraum betrachtet wer den. Zur Erhöhung des Integrationsgrades kann durch eine Verkippung oder Krümmung der Grenzfläche 10 der Abstand w minimiert werden.The diffraction region 3 designed as a film has a length w. The extension w of the diffraction region 3 should be chosen to be sufficiently large so that the wave components reflected at the interface 10 do not return to the output waveguide 2 within the length d. In this case, the diffraction region 3 can be viewed optically as a half space or a quarter space. To increase the degree of integration, the distance w can be minimized by tilting or curving the interface 10 .

Durch induzierte Erhöhung der Brechzahl im Gebiet 6 des Beugungsbereiches 3 bildet sich eine zweite total reflektierende Grenzfläche 9 zwischen Wellenleiter 8 und Beugungsbereich 3 aus. Das in den Wellenleiter 8 eingekoppelte Licht wird somit zwischen den beiden Grenzflächen 4 und 9 zum Ausgangswellenleiter 2 ge führt.Due to the induced increase in the refractive index in the region 6 of the diffraction region 3 , a second totally reflecting interface 9 is formed between the waveguide 8 and the diffraction region 3 . The light coupled into the waveguide 8 is thus leads between the two interfaces 4 and 9 to the output waveguide 2 ge.

Fig. 3 zeigt ein optisches Bauelement basierend auf dem in Fig. 1b skizzierten Prinzip. Auch bei diesem Bauelement ist die Brechzahl des Gebietes 20 geringer als die Brechzahl des Wellenleiters 8, während Wel lenleiter 8 und Beugungsbereich 3 die gleiche Brech zahl aufweisen. Beugungsbereich 3 könnte allerdings auch eine höhere Brechzahl als der Wellenleiter 8 besitzen. Die Brechzahl von Eingangswellenleiter 1 und Ausgangswellenleiter 2 kann von der Brechzahl von Wellenleiter 8 abweichen. FIG. 3 shows an optical component based on the principle outlined in FIG. 1b. Also in this component, the refractive index of the area 20 is lower than the refractive index of the waveguide 8 , while the len 8 and diffraction region 3 have the same refractive index. Diffraction region 3 could, however, also have a higher refractive index than the waveguide 8 . The refractive index of input waveguide 1 and output waveguide 2 can differ from the refractive index of waveguide 8 .

Durch Erhöhung der Brechzahl des Wellenleiters 8 oder von Wellenleiter 8 und Gebiet 7 unter Beibehaltung einer Brechzahldifferenz entlang des Grenzprofils 4 bildet sich eine zweite totalreflektierende Grenz fläche 9 am Übergang zwischen Wellenleiter 8 und Beugungsbereich 3 aus.By increasing the refractive index of the waveguide 8 or of the waveguide 8 and region 7 while maintaining a refractive index difference along the boundary profile 4 , a second totally reflecting boundary surface 9 is formed at the transition between the waveguide 8 and the diffraction region 3 .

Während in den Fig. 2 und 3 Bauelemente basierend auf eindimensionaler Beugung in einem filmartigen Beugungsbereich 3 beschrieben werden, ist in Fig. 4 die zweidimensionale Beugung in einem kastenartigen Beugungsbereich 3 dargestellt. Das Funktionsprinzip des in Fig. 4 dargestellten Bauelementes stimmt mit demjenigen des Bauelementes von Fig. 3 überein. Der kastenartige Beugungsbereich 3 besitzt zwei total reflektierende Grenzprofilen 4 und 5. Das gegenüber filmförmigen Beugungsbereichen vergrößerte Volumen des kastenartigen Beugungsbereiches 3 führt zu einer stärkeren Dämpfung des optischen Bauelementes im nicht durchgeschalteten Zustand.While components based on one-dimensional diffraction in a film-like diffraction area 3 are described in FIGS. 2 and 3, FIG. 4 shows the two-dimensional diffraction in a box-like diffraction area 3 . The operating principle of the component shown in FIG. 4 corresponds to that of the component of FIG. 3. The box-like diffraction region 3 has two totally reflecting limit profiles 4 and 5 . The increased volume of the box-like diffraction region 3 compared to film-shaped diffraction regions leads to a stronger damping of the optical component in the non-switched state.

Nachfolgend werden drei konkrete Bauformen erfin dungsgemäßer optischer Bauelemente erläutert.Three concrete designs are invented below appropriate optical components explained.

1. component with half-sided one-dimensional Diffraction in a material with thermo-optical lowerable refractive index

Die Realisierung eines derartigen Bauelementes kann z. B. in thermooptischen Polymermaterialien entspre chend Fig. 5 erfolgen. Das dargestellte optische Bauelement beruht auf den in Zusammenhang mit Fig. 2 erläuterten Funktionsprinzipien. Die vergrabene Struktur besteht aus einem unteren Polymercladding 11, einer gemeinsam strukturierten Wellenleiter- und Beugungsschicht 12, die aus einem Polymer mit höherer Brechzahl als das Cladding besteht, sowie einem ober en Polymercladding 13. Das Schichtsystem 12 wird durch Aufschleudern der Polymerschichten und Struk turieren mittels Ätzen hergestellt. Als Substrat material 14 kann beispielsweise ein thermisch oxi dierter Siliziumwafer verwendet werden. Ein Aktuator in Form einer Heizelektrode 15 mit einem die unge fähre Position der zweiten totalreflektierende Grenzprofil definierenden Randbereich 17 wird auf das obere Polymercladding 13 aufgesputtert. Beim Schalten bildet sich durch das Heizen der Elektrode 15 ein Temperaturfeld 16 zu dem als Wärmesenke wirkenden Siliziumoxydwafer 14 aus, welches in Abb. 5 stark vereinfacht dargestellt ist. Der thermooptische Effekt führt im Bereich 16 zu einer Absenkung der Brechzahl und zur Wellenleitung im Bereich 8. Da die Heizelektrode 15 nicht direkt auf dem Wellenleiter angeordnet ist, wird eine nachteilige Wechselwirkung zwischen der Heizelektrode 15 und dem im Wellenleiter geführten Licht ausgeschlossen.The realization of such a component can, for. B. in thermo-optical polymer materials accordingly Fig. 5. The optical component shown is based on the functional principles explained in connection with FIG. 2. The buried structure consists of a lower polymer cladding 11 , a jointly structured waveguide and diffraction layer 12 , which consists of a polymer with a higher refractive index than the cladding, and an upper polymer cladding 13 . The layer system 12 is produced by spin coating the polymer layers and structuring by means of etching. For example, a thermally oxidized silicon wafer can be used as substrate material 14 . An actuator in the form of a heating electrode 15 with an edge region 17 which defines the inaccessible position of the second totally reflecting border profile is sputtered onto the upper polymer cladding 13 . When switching, the heating of the electrode 15 forms a temperature field 16 for the silicon oxide wafer 14 , which acts as a heat sink, which is shown in a very simplified manner in FIG. 5. The thermo-optical effect leads to a lowering of the refractive index in area 16 and to waveguiding in area 8 . Since the heating electrode 15 is not arranged directly on the waveguide, an adverse interaction between the heating electrode 15 and the light guided in the waveguide is excluded.

2. component with two-dimensional diffraction in Quarter space in material with electro-optically elevable Refractive index

Die Realisierung des Bauelementes entsprechend Fig. 4 kann z. B. in KTP-Kristallen erfolgen, in welchen durch Ionenaustausch sowohl Ein- und Ausgangswellen leiter 1, 2 und Wellenleiter 8 als auch Beugungs bereich 3 durch lokale Brechzahlerhöhung hergestellt werden. Die Wellenleiter werden an der Oberfläche erzeugt, wobei das erste Grenzprofil für den Beu gungsviertelraum aus dem Grenzprofil 5 zwischen ionenausgetauschtem KTP-Kristall und Superstrat (z. B. Luft) besteht. Das zweite Grenzprofil 4 ist am Über gang zwischen ionenausgetauschtem Gebiet 3 und unaus getauschtem Kristall 20 angeordnet. Die Erhöhung der Brechzahl im Bereich 7 erfolgt durch die Beschaltung einer auf die Kristalloberfläche aufzubringenden Elektrodenstruktur basierend auf dem elektrooptischen Effekt.The realization of the component according to FIG. 4 can, for. B. in KTP crystals in which both ion and output waveguide 1 , 2 and waveguide 8 and diffraction area 3 are produced by local increase in refractive index by ion exchange. The waveguides are generated on the surface, the first boundary profile for the diffraction quarter space consisting of the boundary profile 5 between the ion-exchanged KTP crystal and superstrate (e.g. air). The second boundary profile 4 is arranged at the transition between the ion-exchanged region 3 and the non-exchanged crystal 20 . The refractive index in region 7 is increased by wiring an electrode structure to be applied to the crystal surface based on the electro-optical effect.

3. Component with asymmetrical two-dimensional Diffraction in material with electro-optically elevable Refractive index

Eine Modifikation des vorhergehenden Bauelementes kann entsprechend Fig. 6 in Substratmaterialien realisiert werden, in welchen eine Brechzahlmodi fikation für kastenförmige, tiefe Strukturen nicht herstellbar ist. Das Funktionsprinzip eines der artigen Bauelementes ist in Fig. 1c veranschaulicht. Im Gegensatz zu filmartigen Beugungsbereichen kann trotzdem mit mehrdimensionaler Beugung und damit höherer Störsignalunterdrückung gearbeitet werden. Die erste Asymmetrieebene 21 bildet sich zwischen oberer Substratfläche und Superstrat (z. B. Luft) aus und führt zu einer Ablenkung der Beugung in Tiefen richtung. Die wichtige zweite Asymmetrieebene wird durch die der Eingangs- und Ausgangswellenleiter struktur 1, 2 nebengelagerte Struktur 18 eingeführt. Struktur 18 stellt einen gegenüber dem Substrat und Eingangswellenleiter 1 sowie Ausgangswellenleiter 2 abgesenkten Brechzahlbereich dar, der die Ablenkung der Beugung in die laterale Raumrichtung 19 gewähr leistet. Wird das Bauelement z. B. in Lithiumniobat als Substratmaterial hergestellt, so kann diese Brechzahlabsenkung durch Magnesiumeindiffusion hergestellt werden. Die aktive äußere Beeinflussung und damit das Schalten der Struktur kann z. B. durch das Anheben der Brechzahl in einem dem Gebiet 7 von Fig. 4 entsprechenden Bereich durch den elektroopti schen bzw. thermooptischen Effekt realisiert werden.A modification of the preceding component can be implemented according to FIG. 6 in substrate materials in which a refractive index modification for box-shaped, deep structures cannot be produced. The principle of operation of one of the like components is illustrated in Fig. 1c. In contrast to film-like diffraction areas, it is still possible to work with multi-dimensional diffraction and thus higher interference signal suppression. The first asymmetry plane 21 is formed between the upper substrate surface and the superstrate (e.g. air) and leads to a deflection of the diffraction in the depth direction. The important second level of asymmetry is introduced by the structure 18 which is adjacent to the input and output waveguide structure 1 , 2 . Structure 18 represents a refractive index range that is lower than that of the substrate and input waveguide 1 and output waveguide 2 and that ensures the deflection of the diffraction in the lateral spatial direction 19 . If the component z. B. produced in lithium niobate as a substrate material, this lowering of the refractive index can be produced by magnesium diffusion. The active external influence and thus the switching of the structure can e.g. B. by increasing the refractive index in a region 7 of FIG. 4 corresponding area by the electro-optic or thermo-optical effect.

Claims

1. Optical component for switching or modulating light with
a light coupling area and a light coupling area,
a waveguide arranged between the light coupling-in area and the light coupling-out area, which adjoins a diffraction area, at least one of the waveguide and diffraction area consisting of a material with a variable refractive index, and
with a device for changing the refractive index of the waveguide relative to the refractive index of the diffraction region,
characterized in that the waveguide ( 8 ) has at least one totally reflecting first limit profile ( 4 ), borders on a diffraction region ( 3 ) on a side opposite this first limit profile ( 4 ) and the device ( 15 ) for changing the refractive index essentially is arranged perpendicular to the totally reflecting first limit profile ( 4 ).

2. Optical component according to claim 1, characterized in that the device ( 15 ) for changing the refractive index has an edge region ( 17 ) which is essentially flush with a generable, to the totally reflecting first boundary profile ( 4 ) parallel second boundary profile ( 9 ) of Waveguide ( 8 ) runs.

3. Optical component according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 15 ) for changing the refractive index is planar.

4. Optical component according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 15 ) for changing the refractive index is arranged directly on the optical construction element.

5. Optical component according to one of the preceding claims, characterized in that a transition from the waveguide ( 8 ) to a medium ( 20 ) with a lower refractive index forms the totally reflecting first limit profile ( 4 ).

6. Optical component according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide ( 8 ) is at least partially ge curved.

7. Optical component according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide ( 8 ) and the diffraction region ( 3 ) are integrally formed.

8. Optical component according to one of the preceding claims, characterized in that the light coupling area is designed as an input waveguide ( 1 ) and the light decoupling area as an output waveguide ( 2 ).

9. Optical component according to one of claims 1 to 8, characterized in that the diffraction area ( 3 ) is designed as a film.

10. Optical component according to one of claims 1 to 8, characterized in that the diffraction area ( 3 ) is box-shaped.

11. Optical component according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 15 ) for changing the refractive index extends from the edge region ( 17 ) in the direction of the medium ( 20 ) and in the region of the device ( 15 ) at least regionally material with a variable refractive index is arranged.

12. An optical component according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the device (15) for changing the refractive index from the edge region (17) in the direction of the diffraction region (3) and in the region of the on direction (15) at least regionally material with a variable refractive index is arranged.

13. Optical component according to one of the preceding claims, characterized in that the diffraction region ( 3 ) has at least one tilted or curved side surface ( 10 ).

14. Optical component according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 15 ) for changing the refractive index is an electro-optical, thermo-optical or elas-to-optical actuator.

15. Optical component according to one of the preceding claims, characterized in that between the device's ( 15 ) for changing the refractive index and the waveguide ( 8 ) an inter mediate layer ( 13 ) is arranged.

16. Use of an optical component after one of the preceding claims for switching, Modulate or dim light.

17. A method for switching or modulating light, wherein the light is coupled into a waveguide (8) is totally reflected by a first interface section (4) of the waveguide in a first boundary profile (4) opposite Beugungsbe rich (3) or between the first limit profile ( 4 ) and a totally reflecting second limit profile ( 9 ) is guided and the switching or modulation of the light is carried out by using an essentially perpendicular to the first limit profile ( 4 ) on ordered device ( 15 ) by thermal, electrical or mechanical action on at least one of the waveguides ( 8 ) and the diffraction area ( 3 ) the refractive index of the waveguide ( 8 ) changes relative to the refractive index of the diffraction area ( 3 ) and thus a totally reflective second boundary profile ( 9 ) between the waveguides ( 8 ) and diffraction area ( 3 ) is formed or reduced.

18. The method according to claim 17, characterized in that the light in the waveguide ( 8 ) is guided on a curved path.

19. The method according to claim 18, characterized in that the light from the waveguide ( 8 ) is coupled out and over the radius (R) of the curved path ge influence is exerted on the intensity of the outcoupled light.