DE2220148A1

DE2220148A1 - Abstimmbarer optischer Filter

Info

Publication number: DE2220148A1
Application number: DE19722220148
Authority: DE
Inventors: Paul Frederick Mahopac; Kuhn Lawrence Ossining; Lean Eric Gung-Hwa Mahopac; N.Y. Heidrich (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-05-27
Filing date: 1972-04-25
Publication date: 1972-12-07
Also published as: FR2138632B1; FR2138632A1; JPS5718164B1; US3822929A; GB1316729A; DE2220148C2

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 023

Abstimmbarer optischer Filter

In der Technik der Datenverarbeitung werden neuerdings in steigendem Umfang integrierte optische und elekto-optische Schaltungen verwendet. Ein wichtiges Element dieser Schaltungen sind die sog. abstimiribaren Filter, die es gestatten, aus einer Vielzahl von einem Lichtleiter zugeführten optischen Strahlungen oder Moden solcher Strahlungen bestimmte Moden auszufiltern oder eine optische Strahlung mit bestimmten Moden in eine optische Strahlung mit anderen Moden umzuwandeln.

In der Literaturstelie "Electronically Tunable Acousto-Optic Filter" von S.E. Harris, S.T.K. Nieh und D.K. Winslow in Applied Physics Letters, Vol. 15, Nr. 10, 15. November 1969, Seiten 325, 326 werden elektronisch abstimmbare akustisch-optische Filter für Raumwellen beschrieben, bei denen der Lichtstrahl an in einem doppelbrechenden Kristall verlaufenden elastischen Wellen gebeugt oder gestreut wird. Die in;der oben beschriebenen Literaturstelle angegebenen Verfahren können nicht auf Oberflächenwellen und optische Wellenleiter angewendet werden. Darüber hinaus ist der Fre-

2 0 9 85 Q/0 661

ORIGINAL INSPECTED

2220H8

quenzbereich dieser Anordnung von den doppelbrechenden Eigenschaften der verwendeten Kristalle abhängig.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen aus optischen Wellenleitern bestehenden abstimmbaren optischen Filter anzugeben, bei dem die Beeinflussung der optischen Strahlung bei geringem Energiebedarf und kurzen Einstellzeiten durch elastische Oberflächenwellen erfolgt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen abstimmbaren optischen Filter gelöst, der gekennzeichnet ist durch ein Trägerelement, einen auf diesem angeordneten Wellenleiter, eine Anordnung zur Eingabe einer optischen Strahlung in den optischen Wellenleiter, einen elektro-akustischen oder einen anderen akustischen Wandler zur Eingabe einer mit der optischen Strahlung in Wechselwirkung tretenden und dabei eine andere als die eingegebene Mode erzeugenden elastischen Oberflächenwelle in den optischen Wellenleiter und/oder das diese tragende Trägerelement und durch eine Anordnung zur Auskopplung einer oder mehrerer Moden der optischen Strahlung aus dem Wellenleiter.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Eingabe der optischen Strahlung in den optischen Wellenleiter aus einem Lichtleitfaserbündel und einem das Lichtleitfaserbündel mit dem Wellenleiter verbindenden Koppelelement besteht.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines abstimmbar^»

optischen Filters nach der Erfindung,

^ΪΟ971023 209850/0661

: 2220U8

Fig. 2 die schematische Darstellung der Dispersionskurven der im Wellenleiter der erfindungsgemaßen Anordnung auftretenden Wellen,

Fig. 3 die schematische Darstellung der elektrischen

Felder der entstehenden Moden,

Fign. 4 und 5 schematische Darstellungen anderer Ausftihrungs-

beispiele der Erfindung.

In Fig. 1 wird der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen abstimmbaren optischen Filters in schematischer Weise dargestellt. Ein aus einem Kristall, beispielsweise Lithiumniobat oder Quarz, bestehendes Trägerelement 10 ist an seiner oberen Fläche mit einem optischen Wellenleiter 12 versehen, der aus einer dünnen Schicht amorphen Materials, beispielsweise aus Glas, bestehen kann. Auf dem optischen Wellenleiter 12 ist eine Anordnung 14 zur Eingabe von optischer Strahlung in den Wellenleiter vorgesehen, die beispielsweise aus einem Lichtleitfaserbündel oder aus einem optischen Gitter bestehen kann. Die in die Oberfläche des optischen Wellenleiters 12 einzugebenden elastischen Wellen« werden mit Hilfe einer Anordnung 16 erzeugt, die beispielsweise aus einem elektro-optisehen Wandler mit verschachtelten Elektroden bestehen kann und durch eine abstimmbare elektrische Signalquelle erregt wird.

Die durch die Anordnung 14 in den optischen Lichtleiter 12 eingegebene optische Strahlung durchsetzt den Lichtleiter in Form einer ersten Mode. In Fig. 2 wird das Verhältnis der Frequenz zur Wellenzahl dargestellt, wobei die erste Mode der optischen Stahlung im Wellenleiter mit 18 bezeichnet wird. Die der Anordnung zugeordnete elektrische Signalquelle liefert an den elektro-optischen Wandler ein Signal mit sich verändernder Frequenz, durch das an der Oberfläche des optischen Wellenleiters 12 eine Oberflächenwelle mit sich in gleicher Art verändernden Frequenz erzeugt wird.

^{Y0 971} °²³ 209850/0661

2220U8

mm A —

Bei einer vorgegebenen Frequenz der Oberflächenwelle liegen die erforderlichen Phasenübereinstiminungsbedingungen zwischen der optischen und der elastischen Welle für eine einzige optische Frequenz vor,, und es tritt ein colinearer Energieübergang von der ersten Wellenleitermode zur zweiten Wellenleitermode auf, die in Fig. 2 mit 20 bezeichnet ist. Ist beispielsweise die erste Mode 18 eine TE_Q-Mode, so kann die zweite Mode 20 die TE.-Mode sein. Für eine bestimmte Frequenz elastischer Wellen gibt es nur eine optische Frequenz, bei der eine Modentransformation eintritt. Das heißt, es gibt nur eine Frequenz der optischen Strahlung, bei der die Phasenübereinstimmungsbedingung erfüllt ist. Dieser Vorgang tritt, wie leicht einzusehen ist, im optischen Wellenleiter auf, da die Dispersionskurven für die verschiedenen Moden nicht, wie in Fig. 2 dargestellt, parallel verlaufen.

In Fig. 3 wird der Verlauf des elektrischen Feldes der ersten Mode (TE ) mit 22 und der Verlauf des elektrischen Feldes der zweiten Mode (TE₁) mit 24 bezeichnet. Das elektrische Feld der ersten Mode 22 hat keinen Wert Null, während das elektrische Feld der zweiten Mode 24 im Punkt 26 den Wert 0 aufweist. Die beiden optischen Wellen (erste und zweite Mode) pflanzen sich in dem Wellenleiter 12 der in Fig. 1 dargestellten Anordnung von links nach rechts fort. Im Wellenleiter 12 ist im Weg der beiden optischen Wellen, genauer gesagt im Weg des Wertes Null des mit 24 bezeichneten elektrischen Feldes der zweiten Mode, eine Metallplatte 28 als Modenfilter angeordnet, der die erstgenannte optische Welle unterdrückt und die zweitgenannte optische Welle durchläßt.

Die beschriebene Anordnung kann in integrierten optischen Systemen, beispielsweise als abstimmbarer Vorselektor in einem kohärenten optischen Empfänger eines Nachrichtenübertragungssystem oder in einer Vorrichtung zur Überwachung der Umweltverschmutzung verwendet werden. Die erfindungsgemäße Anordnung kann aber auch als Frequenzselektor in einem integrierten optischen Farbstofflaser oder in einem parametrischen Verstärker verwendet werden.

YO 971 023 209 850/0 66 1

2220U8

Die erfindungsgemäße Anordnung kann weiterhin auch bei nicht integrierten optischen Systemen im Zusammenhang mit Ein- und Ausgabekoppelelementen als abstimmbarer Filter verwendet werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform der Erfindung besteht aus einem Trägerelement 42, auf dem eine dünne, beispielsweise aus Aluminium bestehende Metallschicht angeordnet ist, die ihrerseits einen Wellenleiter 44 trägt. Die optische Strahlung wird in den Wellenleiter dadurch eingeleitet, daß ein Lichtstrahl unter einem Winkel von θ auf ein erstes aus einem optischen Gitter bestehendes Koppelelement 46 gerichtet wird. Die Metallschicht 40 isoliert das Trägerelement 42 von dem Wellenleiter 44, wodurch eine größere Freiheit in der Auswahl der Materialien für das Trägerelement und den Wellenleiter ermöglicht wird. Bei Fehlen der Metallschicht 40 muß der Brechungsindex des Wellenleiters höher als der Brechungsindex des Trägerelements sein. Bei Verwendung der in Fig. 4 dargestellten Metallschicht 40 kann der Brechungsindex des Wellenleiters niedriger als der des Trägerelements sein, so daß Trägerelemente mit guten akustischen Eigenschaften und Wellenleiter mit guten optischen Eigenschaften verwendet werden können. Wegen der isolierenden Eigenschaften der Metallschicht 40 muß ein zur Einleitung der Ober'flächenwellen verwendeter elektroakustischer Wandler 48 unmittelbar auf der Fläche des Trägerelements 42 angeordnet sein.

Wie bei den beiden zuerst beschriebenen Ausführungsbeispielen tritt eine Wechselwirkung zwischen der elastischen und der optischen Welle ein, wenn die Phasenübereinstimmungsbedingungen erfüllt werden. In diesem Falle setzt eine Modentransformation ein, Anstelle des aus einer Metallplatte bestehenden Filters innerhalb des Wellenleiters wird in der Vorrichtung nach Fig. 4 ein zweites, aus einem optischen. Gitter bestehendes Koppelelement 50 verwendet, das beide Moden als Lichtstrahlen 54 und 56 auskoppelt. Die ursprünglich eingeleitete Mode verläßt den Wellenleiter als ein unter dem Winkel 0 austretender Strahl,-während ■■■. 2v?eite rl ode den v7-1 i^/ilsicar als ein unter einem Winkel 6..

-- 571 023 2uu85ö/0661

2220H8

austretender Strahl verläßt. Zur Unterdrückung der Strahlung mit der ursprünglich zugeführten Mode ist im Verlauf des Lichtstrahles 54 eine undurchsichtige Blende 58 angeordnet, die diese Mode unterdrückt und den die zweite Mode enthaltenden Strahl 56 durchläßt.

In Fig. 5 wird ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, bei dem Licht über eine Zuführung 30 zugeführt wird, die mittels eines Koppelelements mit dem Lichtleiter verbunden ist. Auf dem Lichtleiter 12 ist darüber hinaus ein elektroakustischer Wandler 32 mit verschachtelten Elektroden vorgesehen, der mit einer abstimmbaren elektronischen Signalquelle 34 verbunden ist. Das von dieser Quelle erzeugte Signal kann durch eine Reihe von Frequenzen verschoben werden, so daß eine entsprechende elastische Welle über die Oberfläche des Trägerelementes IO verläuft, daß beispielsweise aus einem piezoelektrischen Kristall bestehen kann. Wie bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung treten auch in der Anordnung nach Fig. 5 die elastischen und optischen Wellen im Wellenleiter 12 in Wechselwirkung, und es tritt im Falle der Erfüllung der Phasenübereinstimmungsbedingungen eine Modentransformation ein, so daß eine zweite optische Welle mit einer zweiten Mode im Wellenleiter 12 verläuft. Die zweite optische Welle durchsetzt den Modenfilter 28, während die ursprünglich eingegebene optische Welle mit der ersten Mode unterdrückt wird.

YO 971 023 20 9:8550/066

Claims

2220H8

PATENTANSPRÜCHE

Λ..j Abstimmbarer optischer Filter, gekennzeichnet durch ein Trägerelement (10, 42), einen auf diesem angeordneten Wellenleiter (12, 44), eine Anordnung (14, 30, 46) zur Eingabe einer optischen Strahlung in den optischen Wellenleiter, einen elektroakustischen Wandler (16, 32, 48) zur Eingabe einer mit der optischen Strahlung in Wechselwirkung tretenden und dabei eine andere als die eingegebene Mode erzeugenden elastischen Oberflächenwelle in den optischen Wellenleiter und/oder das diese tragende Trägerelement und durch eine Anordnung (50, 28) zur Auskopplung einer oder mehrerer Moden der optischen Strahlung aus dem Wellenleiter.

2. Abstimmbarer optischer Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Eingabe der optischen Strahlung in den optischen Wellenleiter aus einem Lichtleitfaserbündel (30) und einem das Lichtleitfaserbündel mit dem Wellenleiter verbindenden Koppelelement besteht.

3. Abstimmbarer optischer Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Eingabe der optischen Strahlung in den optischen Wellenleiter aus einem auf dem Wellenleiter angeordneten optischen Gitter (46) besteht.

4. Abstimmbarer optischer Filter nach den Ansprüchen 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler aus auf dem Wellenleiter verschachtelt angeordneten Elektroden besteht.

5. Abstimmbarer optischer Filter nach den Ansprüchen 1 bis

4, gekennzeichnet durch einen im Wellenleiter angeordneten, vorzugsweise aus einer dünnen Metallschicht bestehenden

^1/0 971 023 209850/0661

2220H8

Filter (28).

6. Abstimmbarer optischer Filter nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein auf dem Wellenleiter angeordnetes optisches Gitter, das die einzelnen Moden der optischen Strahlung ttftter"jeweils verschiedenen Winkeln austreten läßt und durch im Verlauf der aus dem Wellenleiter austretenden zu unterdrückenden Moden angeordnete strahlungsundurchlässige Blenden (58).

7. Abstimmbarer optischer Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen auf dem Trägerelement (10, 42), angeordneten elektroakustischen Wandler (48) und eine Metallschicht (40), auf der ein Lichtleiter (44) angeordnet ist.

8. Abstimmbarer optischer Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine mit dem elektroakustischen Wandler (16, 32, 48) verbundene Signalquelle (34) mit steuerbar veränderbarer Frequenz zur Erzeugung einer elastischen Oberflächenwelle, die bei einer bestimmten, die Phasenübereinstimmungsbedingung mit einer bestimmten optischen Frequenz aufweisenden Frequenz der Oberflächenwelle die gewünschte Modentransformation bewirkt.

9. Abstimmbarer optischer Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Signalquelle (34) auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt ist, die durch Erfüllung der Phasenübereinstimmungsbedingung mit der Freauenz der optischen Welle die Modentransformation bewirkt.

97] 023 2 09850/0661

Leerseite