DE2220148C2

DE2220148C2 - Optische Steuervorrichtung mit einem Dünnschichtwellenleiter und einer akustischen Welle

Info

Publication number: DE2220148C2
Application number: DE2220148A
Authority: DE
Inventors: Paul Frederick Mahopac N.Y. Heidrich; Lawrence Ossining N.Y. Kuhn; Eric Gung-Hwa Mahopac N.Y. Lean
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-05-27
Filing date: 1972-04-25
Publication date: 1982-04-29
Also published as: GB1316729A; FR2138632B1; JPS5718164B1; US3822929A; FR2138632A1; DE2220148A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
In der Technik der Datenverarbeitung werden

ίο neuerdings in steigendem Umfang integrierte optische und elektro-optische Schaltungen verwendet. Ein wichtiges Element dieser Schaltungen sind Steuervorrichtungen, sog. abstimmbare Filter, die es gestatten, aus einer Vielzahl von einem Lichtleiter zugeführten optischen Frequenzen bestimmte Frequenzen auszufiltern.

In der Literaturstelle »Electronically Tunable Acousto-Optic Filter« von S. E. Harris, S. T. K. Nieh und D. K. Winslow in Applied Physics Letters, Vol. 15, No. 10, 15. November 1969, Seiten 325, 326 werden elektronisch abstimmbare akustisch-optische Filter für Raumwellen beschrieben, bei denen bestimmte Frequenzen des Lichtstrahls an in einem doppelbrechenden Kristall verlaufenden elastischen Wellen gebeugt und ausgefiltert werden. Die in der oben beschriebenen Literaturstelle angegebene Verfahren können nicht auf Oberflächenwellen und optischen Wellenleiter angewendet werden. Darüber hinaus ist der Frequenzbereich dieser Anordnung von den doppelbrechenden Eigenschäften der verwendeten Kristalle abhängig.

Die Steuerung optischer Wellen in Dünnschichtwellenleitern durch elastische, in der Dünnschicht erregte Wellen ist aus den Veröffentlichungen Applied Physics Letters, Vol. 17, No. 6, Seite 265 (September 1970) und IEEE Journal of Quantum Electronics QE-7, Seite 167 (April 1971) bekannt. Im erstgenannten Artikel verläuft die elastische Welle senkrecht zur optischen, im zweiten Artikel sind die beiden Wellen kollinear. In beiden Fällen wird die optische Welle aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt, wobei der Ablenkwinkel eine Funktion der Frequenz der elastischen Welle ist. Eine Modenkonversion sowie eine optische Frequenzfilterung ist bei diesen bekannten Vorrichtungen nicht vorgesehen.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine optische Steuervorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der durchstimmbar bestimmte Frequenzen der optischen Welle ausgefiltert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anschließend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung eines abstimmbaren optischen Filters,

F i g. 2 die schematische Darstellung der Dispersionskurven der im Wellenleiter einer Ausführungsform der Erfindung auftretenden Wellen,

F i g. 3 die schematische Darstellung der elektrischen Felder der entstehenden Moden,

Fig.4 und 5 schematische Darstellungen anderer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
In F i g. 1 wird der grundsätzliche Aufbau eines nach der Lehre der Erfindung gebauten abstimmbaren optischen Filters in schema tischer 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, beispielsweise ein Lichtleitfaserbündel oder ein optisches Gitter. Die in die Oberfläche des optischen Wellenleiters 12 einzugebenden elastischen Wellen werden mit Hilfe einer Anordnung 16 erzeugt, die beispielsweise aus einem elektro-akustischen 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 F i g. 2 wird das Verhältnis der Frequenz ω zur Wellenzahl β dargestellt, wobei die erste Mode der optischen Strahlung im Wellenleiter mit 18 bezeichnet wird. Die der Anordnung 16 zugeordnete elektrische Signalquelle liefert an den elektro-akustischen Wandler ein Signal mit sich verändernder Frequenz, durch das an der Oberfläche des optischen Wellenleiters 12 eine elastische (akustische) Oberflächenwelle mit sich in gleicher Art verändernden Frequenz erzeugt wird.

Bei einer vorgegebenen Frequenz der Oberflächenwelle liegen die erforderlichen Bedingungen für Phasenanpassung zwischen der optischen und der elastischen Welle für eine einzige optische Frequenz vor, und es tritt ein kolinearer Energieübergang von der ersten Wellenleitermode zur zweiten Wellenleitermode auf, die in F i g. 2 mit 20 bezeichnet ist. Ist beispielsweise die erste Mode 18 eine TEo-Mode, so kann die zweite Mode 20 die TEi-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 Bedingungen für Phasenanpassung erfüllt sind. Dieser Vorgang tritt, wie leicht einzusehen ist, im optischen Wellenleiter auf, da die Dispersionskurven für die verschiedenen Moden entsprechend der Darstellung in Fig.2 nicht parallel verlaufen.

In F i g. 3 wird der Verlauf des elektrischen Feldes der ersten Mode (TEo) mit 22 und der Verlauf des elektrischen Feldes der zweiten Mode (TEi) 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 Vorselektro in einem kohärenten optischen Empfänger eines Nachrichtenübertragungssystems oder in einer Vorrichtung zur Überwachung der Umweltverschmutzung verwendet werden. Die Anordnung kann aber auch als Frequenzselektor in einem integrierten optischen Farbstofflaser oder in einem parametrischen Verstärker verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann weiterhin auch bei nicht integrierten optischen Systemen im Zusammenhang mit Ein- und Ausgabekoppelelementen als abstimmbares 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 40 angeordnet ist, die ihrerseits einen Wellenleiter 44 trägt. Die optisch Strahlung wird in den Wellenleiter dadurch eingeleitet, daß ein Lichtstrahl unter einem Winkel von #0 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 Eigenschafter, verwendet werden können. Wegen der isolierenden Eigenschaften der Metallschicht 40 muß ein zur Einleitung der Oberflächenwellen 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 Bedingungen für Phasenanpassung erfüllt werden. In diesem Falle setzt eine Modentransformation ein. Anstelle des aus einer Metallplatte bestehenden Filters innerhalb des Wellenleiters wird in der Vorrichtung nach F i g. 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 die zweite Mode den Wellenleiter als ein unter einem Winkel #1 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 10 verläuft, das beispielsweise aus einem piezoelektrischen Kristall bestehen kann. Wie bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung treten auch in der Anordnung nach F i g. 5 die elastischen und optischen Wellen im Wellenleiter 12 in Wechselwirkung, und es tritt im Fatle der Erfüllung der Bedingungen für Phasenanpassung eine Modentransformation ein, so daß eine zweite optische Welle durchsetzt den Modenfilter 28, während die ursprünglich eingegebene optische Welle mit der ersten Mode unterdrückt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Steuervorrichtung mit einem auf einem Trägerelement angeordneten Dünnschichtwellenleiter, in den optische Wellen eingekoppelt und aus dem sie ausgekoppelt werden können und mit einer Anordnung zur Erzeugung einer akustischen Welle mit wählbarer Wellenlänge, die innerhalb des Dünnschichtwellenleiters zur optischen Welle kollinear verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Wellenlänge in einem Bereich wählbar ist, in dem für jeweils eine der verschiedenen optischen Frequenzen Phasenanpassung bezüglich des Übergangs zu einer anderen optischen Schwingungsmode auftritt und daß innerhalb des Dünnschichtwellenleiters und/oder im Strahlengang der ausgekoppelten Lichtwelle Mittel (28; 58) zur Selektion des neu entstandenen Schwingungsmodes vorgesehen sind.

2. Optische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der akustischen Welle ein elektroakustischer Wandler (32; 48) mit verschachtelt angeordneten Fingerelektroden vorgesehen ist, der von einem Generator (34) mit veränderlicher Frequenz beaufschlagt wird.

3. Optische Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnschichtwellenleiter (12) direkt auf dem Trägerelement (10) angebracht ist und einen optischen Brechungsindex aufweist, der größer ist als der des Trägerelements.

4. Optische Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler auf dem Dünnschichtwellenleiter (12) angebracht ist.

5. Optische Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnschichtwellenleiter (44) vom Trägerelement (42) durch eine dünne Metallschicht (40) getrennt ist.

6. Optische Steuervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler (48) auf dem Trägersubstrat (42) außerhalb des Dünnschichtwellenleiters (44) angebracht ist.

7. Optische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der optischen Welle in den optischen Dünnschichtwellenleiter auf diesem ein optisches Gitter (46) angebracht ist.

8. Optische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der optischen Welle in den optischen Dünnschichtwellenleiter ein Lichtleitfaserbündel (30) vorgesehen ist, das mit dem Dünnschichtwellenleiter optisch gekoppelt ist.

9. Optische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Modenfilter eine im Dünnschichtwellenleiter (12) angeordnete dünne Metallschicht (28) vorgesehen ist.

10. Optische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung der verschiedenen Schwingungsmoden der optischen Welle aus dem Dünnschichtwellenleiter ein optisches Gitter (50) vorgesehen ist, das die einzelnen Moden unter jeweils verschiedenen Austrittswinkeln aus dem Dünnschichtwellenleiter ablenkt und daß in Richtung des ausgekoppelten Lichts Lochblenden (58) zur Unterdrückung einzelner austretender Moden vorgesehen sind.