DE2359797C3 - Schaltbare optische Wellenleitereinrichtung - Google Patents

Description

F i g, 2 zeigt schematisch eine Möglichkeit, wie man bei dem in F i g. 1 dargestellten Wellenleiter die Eingangs-Lichtenergie an der einen Seite zuführen und die Ausgangs-Lichtenergie an der anderen Seite entnehmen kann;

Fi g. 3 erläutert eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die beabstandeten Elektroden auf einer Oberfläche eines elektrooptischen Kristalls so angeordnet sind, daß sich ein optischer Umschalter ergibt, der beispielsweise die am Eingang zugeführte Lichtenergie wahlweise auf einen ersten oder einen zweiten Ausgang übertragen kann.

Die Fig. 1 zeigt einen optischen Wellenleiter des in der obenerwähnten Veröffentlichung beschriebenen Typs. Dieser Wellenleiter enthält einen Körper 10 aus einem elektrooptischen Kristall wie z. B. LiNbO₃, welcher für bestimmte Lichtwellea durchlässig ist Die obere Fläche des Kristallkörpers 10 ist mit 2 Elektroden 12 und 14 belegt, die parallel und im Abstand zueinander verlaufen. Die Elektroden 12 und 14 definieren zwischen sich eine örtlich begrenzte dielektrische Zone 16 des Kristaiis iö. Von einer Sieuerspannungsqueile 18 ist wenigstens eine Steuerspannung abnehmbar, die über die Leitungen 20 und 22 zwischen die Elektroden 12 und 14 gelegt wird. Wie später noch im einzelnen noch anhand der F i g. 3 und 4 beschrieben werden wird, kann die Steuerspannungsquelle 18 auch mehrere Steuerspannungen liefern. In allen Fällen kann die von der Steuerspannungsquelle 18 an die Elektroden 12 und 14 gelegte Spannung eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein und entweder eine konstante oder eine sich zeitlich ändernde Amplitude haben. Wie mit den gestrichelten Linien 24 angedeutet ist, erzeugt die zwischen den Elektroden 12 und 14 vorhandene Spannung ein elektrisches Feld dem Dielektrikum des Kristalls 10, und zwar in der Nähe der Zone 16. Die absolute Stärke dieses elektrischen Feldes hängt zwar vom Betrag der Spannung zwischen den Elektroden 12 und 14 ab, jedoch ist die Feldstärke (der Spannungsgradient), die durch den Abstand zwischen benachbarten gestrichelten Linien 24 angezeigt wird, an der oberen Fläche 10 des Kristalls unmittelbar zwischen den nebeneinanderliegenden Rändern der Elektroden 12 und 14 stets am größten und nimmt mit zunehmender Tiefe im Kristall 10 oder mit zunehmendem Abstand von den nebeneinanderliegenden Rändern der Elektroden 12 und 14 ab.

Die Fig.2 zeigt neben dem Kristall 10, den Elektroden 12 und 14, der Zone 16, der Steuersignalquelle IB und den Leitungen 20 und 22 eine Einrichtung für die Zuführung von Lichtenergie an einem Ende der Zone 16 und für die Entnahme dieser Lichtenergie am anderen Ende der Zone 16. Diese Einrichtung enthält eine Konvexlinse 25, die von einem Strahl 26 gegebener Lichtwdlenenergie bestrahlt werden kann und so angeordnet ist, daß ihre Bildebene mit dem linken Ende der Zone 16 zusammenfällt, so daß die Lichtenergie des Strahls 24 auf das linke Ende der Zone 16 fokussiert wird. Im Falle der F i g. 2 ist der Strahl 26 kollimiert, so daß die Bildebene der Linse 25 gleichzeitig die Brennebene ist. Im allgemeinen Fall (nicht dargestellt), d. h. wenn der Strahl 26 kein Parallelstrahl ist sondern entweder konvergiert oder divergiert, dann fällt die Bildebene der Linse 25 natürlich nicht mit ihrer Brennebene zusammen. In entsprechender Weise wird, wenn man das 1 echte Ende der Zone 16 in die Brennebene einer weiteren Konvexlinse 28 legt, der vom rechten Ende der Zone 16 ausgehende divergierende Lichtstrahl zu einem parallelen Ausgangsstrahl 30.

Die Linsen 25 und 28 sind nur ein Beispiel dafür, wie man die Lichtenergie an der Zone 16 zuführen und entnehmen kann. Statt der Linse 25 und/oder der Linse 28 können in an sich bekannter Weise auch Prismen, Beugungsgitter oder holographische Koppler verwendet werden. Anstatt die Lichtenergie außerhalb zu erzeugen und dann in den Kristall 10 zu koppeln, kann man auch eine Lichtquelle, wie z. B. einen Festkörperlasser direkt im Wellenleiteraufbau vorsehen. In ähnlicher Weise kann zur Bereitstellung eines elektrischen Ausgangssignals ein optoelektronisches Element wie z. B. ein Phototransistor direkt in den Lichtwellenleiter eingebaut werden.

Es sei nun die Arbeitsweise des in den F i g. 1 und 2 dargestellten optischen Wellenleiters beschrieben. Wenn sich in einem optischen Medium mit relativ hohem Brechungsindex Licht ausbreitet und dieses Licht auf eine Grenze zwischen diesem Medium und einem Medium mit niedrigerem Brechungsindex trifft, dann wird es bekanntlich nur dann tot?'· .iflekticrt, wenn sein Einfallswinkel an dieser Grenze gleich oder größer ist dem sogenannten Grenzwinkel der Totalreflexion. Der Sinus dieses Grenzwinkels ist gleich dem Verhältnis des niedrigeren Brechungsindex zum höheren Brechungsindex. Bei jedem dielektrischen Wellenleiter hängt der Einfallswinkel sowohl vom Schwingungstyp der dem Wellenleiter zugeführten Lichtenergie als auch vom Wert des höheren Brechungsindex des Dielektrikums ab.

Bei einem elektrooptischen Kristall wie z. B. dem Kristall 10 gibt es keine scharfe Grenze zwischen einem Bereich mit hohem Brechungsindex und einem Bereich mit niedrigem Brechungsindex. Solange jedoch der Spannungsgradient zwischen den Elektroden 12 und 16 einen bestimmten Mindestwert überschreitet, (der abhängt vom elektrooptischen Koeffizienten des Kristaiis 10 und vom Schwingungstyp der am linken Ende der Zone 16 eingekoppelten Lichtenergie), wird das Licht auf seinem Weg vom linken Ende zum rechten Ende durch Totalreflexion innerhalb der Zone 16 gehaiien. Die effektive Tiefe und in geringerem Ausmaß auch die effektive Breite der Zone 16, in der die Totalreflexion stattfindet, ist nicht konstant sondern ändert sich als direkte Funktion des Werts der zwischen den Elektroden 12 und 14 liegenden Spannung.

Da die verfügbaren elektrooptischen Kristalle relativ kleine elektrooptische Koeffizienten haben, muß man normalerweise für verhältnismäßig hohe Spannungsgradienten sorgen (bei LiNbO3 z. B. in der Größenordnung von einer Million Volt pro Meter), damit sich der Brechungsindex des Kristalls stark genug ändert. Wenn man also die angelegte Spannung in vernünftigen Grenzen halten will, dann muß man die Breite der Zone 16 zwischen den benachbarten Rändern der Elektroden 12 und 14 ziemlich kkin halten. Diese Breite beträgt z. B. nur 70 μπι. Um zu verhindern, daß sich zwischen den Elektroden 12 und 14 infolge der angelegten Spannung Lichtbogen bilden, sollten die Elektroden lackiert sein. Das Vorhandenseil, eines hohen Gleichspannungsgradienten in bestimmten Bereichen des Kristalls 10 bringt außerdem die Gefahr mit sich, daß der Brechungsindex dieser Bereiche bleibend verändert wird. Dies läßt sich dadurch verhindern, daß man mittels der Steuersignalquelle 18 eine Wechselspannung z. B. von 60 Hz zwischen die Elektroden 12 und 14 legt. In diesem Fall wirkt die Zone 16 jedoch nur während Zeiten der

positiven Halbwellen der Wechselspannung als Wellenleiter.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte einfache spannungsinduzierte Wellenleiter kann in unterschiedlicher Weise arbeiten, je nach der Art, der von der Steuersignalquelle 18 zwischen die Elektroden 12 und 14 angelegten Spannung. Wenn beispielsweise eine feste Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit fester Amplitude geeigneter Höhe zwischen die Elektroden 12 und 14 gelegt wird, arbeitet der durch die Zone 16 gebildete Wellenleiter lediglich als optische Leitung. Wenn jedoch die Steuersignalquelle 18 so betrieben wird, daß sie die Spannung entsprechend einem digitalen Signal ein- und ausschaltet, dann erhält man einen Digitalmodulator, in welchem die Lichtenergie nur während derjenigen Zeitabschnitte vom linken zum rechten Ende der Zone 16 übertragen wird, in denen die Steuersignalquelle 18 die Spannung zwischen den

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41 mit dreieckiger Gestalt vorgesehen, deren eine Seite mit den Enden der Elektroden 34 und 36 zusammenwirkt. Die dieser Seite gegenüberliegende Spitze des Dreiecks liegt an einem Punkt zwischen den Enden der Elektroden 30 und 31.

Die erste Koppelelektrode 39 und die dritte Koppelelektrode 41 sind im Abstand zueinander angeordnet, und bilden zwischen sich eine dielektrische Zone 42, die sich von der dielektrischen Zone 32 des ersten Elektrodenpaars zur dielektrischen Zone 35 des zweiten Elektrodenpaars erstreckt. In ähnlicher Weise liegen die zweite Koppelelektrode 40 und die dritte Koppelelektrode 41 in einem derartigen Abstand zueinander, daß sie zwischen sich eine dieelektrische Zone 43 bilden, die sich von der dielektrischen Zone 32 des ersten Elektrodenpaars zur dielektrischen Zone 38 des dritten Elektrodenpaars erstreckt. Die Koppelelektroden 39, 40 und 41 liegen innerhalb eines mittleren Bereich? iW Ohprflärhp rip« Kristall«; 10a. von Hem Has

restlichen Zeiten, d. h. wenn zwischen den Elektroden 12 und 14 keine Spannung liegt, wird das am linken Ende der Zone 16 eintretende Licht über den gesamten Kristall 10 gestreut und tritt nicht am rechten Ende der Zone 16 aus. Wenn man die Amplitude der von der Steuersignalquelle 18 an die Elektroden 12 und 14 gelegten Spannung entsprechend einem Analogsignal verändert, dann kann der in den F i g. 1 und 2 gezeigte Wellenleiter als Analogmodulator arbeiten. In diesem Fall ändert sich die effektive Grenze der Zone 16 aus den oben beschriebenen Gründen mit der Augenblicksamplitude der angelegten Analogspannung, denn die Tiefe der Zone 16 ist bei höheren Amplituden größer als bei niedrigeren Amplituden. Je nach der Augenblicksamplitude des Analogsignals wird also ein mehr oder weniger großer Teil des von dem fokussierten Lichtstrahl am linken Ende des Kristalls 10 erzeugten Lichtflecks innerhalb der Grenze der Zone 16 liegen, während der übrige Teil auf das Gebiet außerhalb dieser Grenze fällt. Nur der innerhalb der besagten Grenze liegende Anteil wird durch den Wellenleiter zum rechten Ende übertragen, und der restliche Teil wird über den Kristall 10 abgestreut. Somit ändert sich die Intensität der ausgangsseitigen Lichtenergie in Übereinstimmung mit der zwischen die Elektroden 12 und 14 gelegten Analogspannung.

Gegenüber dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten simplen Fall zweier paralleler Elektroden lassen sich durch besonders gewählte Konfigurationen beabstandeter Elektroden kompliziertere Wellenleiteranordnungen schaffen, die man so ausbilden kann, daß sie die ihnen zugeführte L ichtenergie in einer Weise übertragen, die von der jeweils gewählten Elektrodenkonfiguration abhängt. Man erhält dadurch komplizierte optische Systeme, die ganz bestimmte Funktionen durchführen können.

Die F i g. 3 zeigt einen elektrooptischen Kristall 10a, der den Kristall 10 in den F i g. 1 und 2 ersetzen kann. Auf der Oberfläche des Kristalls 10a befinden sich 3 Paare beabstandeter Elektroden, die jeweils zwischen sich eine dielektrische Zone definieren: das erste Elektrodenpaar 30, 31 definiert die dielektrische Zone 32, das zweite Elektrodenpaar 33, 34 definiert die dielektrische Zone 35 und das dritte Elektrodenpaar 36 und 37 definiert die dielektrische Zone 38. Von der Elektrode 30 zur Elektrode 33 erstreckt sich eine erste &"· Koppelelektrode 39, und von der Elektrode 31 zur Elektrode 37 erstreckt sich eine zweite Koppelelektrode 40. Außerdem ist noch eine dritte Koppelelektrode erste, das zweite und das dritte Elektrodenpaar sternförmig ausgehen.

Die in F i g. 3 gezeigte Anordnung kann als Umschalter verwendet werden, um die aus der Zone 32 zwischen dem ersten Elektrodenpaar herangeführte Lichtenergie entweder zur Zone 35 des zweiten Elektrodenpaars oder zur Zone 38 des dritten Elektrodenpaars zu koppeln.

Zur F !äuterung der Arbeitsweise der in Fig.3 gezeigten Anordnung sei angenommen, daß dem unteren Ende der Zone 32 Eingangsenergie in Form von Lichtwellen zugeführt wird. Wenn zwischen die Elektroden 30 und 31 des ersten Elcktrodenpaars durch eine Steuersignalquelle, wie z. B. durch die Quelle 18 nach den F i g. 1 und 2. eine geeignete Spannung gelegt wird (wie es in F i g. 3 durch Pluszeichen und Minuszeichen angedeutet ist), dann wird die in Richtung des Pfeils einfallende Lichtenergie über den durch die Zone 32 gebildeten Wellenleiter zum oberen Ende dieser Zone übertragen, wie es im Zusammenhang mit dem Wellenleiter nach den F i g. 1 und 2 beschrieben worden ist. Die am oberen Ende der Zone 32 des ersten Elektrodenpaars ankommende Lichtenergie kann nun entweder durch die Zone 42 zur Zone 35 des zweiten Elektrodenpaars oder durch die Zone 43 zur Zone 38 des dritten Elektrodenpaars übertragen werden. Wenn man die Elektrode 41 auf ein Bezugspotential und die Elektrode 39 auf ein negatives Potential und die Elektrode 40 auf ein Bezugspotential legt, wie es in F i g. 3 gezeigt ist, dann wirkt die Zone 42 als optischer Wellenleiter, während die Zone 43 eine solche Wirkung nicht zeigt. Daher wird die vom obereren Ende der .Tone 32 ausgehende Lichtenergie allein in die Zone 42 übertragen und tritt nach Durchlaufen dieser Zone in die Zone 35 des zweiten Elektrodenpaars ein. Wie in F i g. 3 angedeutet, wird zwischen die Elektroden 33 und 34 eine geeignete Spannung gelegt, damit die am unteren Ende dieses Elektrodenpaars eintretende Lichtenergie durch die Zone 35 übertragen wird und am oberen Ende dieser Zone austritt, wie es mit dem linken oberen Pfeil gezeigt ist

Wenn andererseits die Elektrode 39 auf Bezugspotential und die Elektrode 40 auf positives Potential gelegt wird, dann wird die vom oberen Ende der Zone 32 ausgehende Lichtenergie allein durch die Zone 43 und dann durch die Zone 38 des dritten Elektrodenpaars geleitet In diesem Fall tritt die Lichtenergie am oberen Ende der Zone 38 aus, wie es mit dem rechten oberen Pfeil in F i g. 3 gezeigt ist

Bei der vorstehend beschriebenen Betriebsweise der in Fig. J gezeigten Anordnung wurde die einfallende Lichteiii'rgie auf einen ersten gemeinsamen Eingang gegeben und (in d-.τ Zeichnung nach oben) zu dem einen oder anderen der beiden Ausgänge geleitet. Der Betrieb kann jedoch auch so geändert werden, daß eine Fortpflanzung des Lichts von diesem einzelnen Eingang zu beiden Ausgängen möglich ist. Da die Wellenleiter Lichtenergie in beiden Richtungen übertragen können, ist es außerdem möglich, die Ausbreitungsrichtung der Lichtenergie innerhalb der in F i g. 3 gezeigten Anordnung umzukehren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltbare optische Wellenleitereinrichtung mit einem Körper aus elektrooptischen!, für zu leitende Lichtwellen im wesentlichen durchlässigem Kristall und mehreren beabstandeten sixeifenförmigen Elektroden, die alle auf derselben Oberfläche des Kristalls angeordnet sind und mindestens ein Paar von im Abstand nebeneinanderliegenden Elektroden bilden, welche zwischen sich eine Kristallzone begrenzen, die beim Anlegen einer gegebenen Spannung zwischen den Elektroden des Paars als Wellenleiter für die zu leitenden Lichtwellen wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß drei voneinander getrennte Paare von jeweils im Abstand nebeneinander angeordneten Elektroden (30,31; 33, 34; 36,37) vorgesehen sind, die alle mit jeweils einem Ende an eine von ihnen getrennte Schaltanordnung aus drei zusätzlichen Elektroden (39, 40, 41) angrenzen, von denen die erste Elektrode (39) sich vom Ende der «inen Elektrode (30) des ersten Paares zum Ende der einen Elektrode (33) des zweiten Paares und die zweite Elektrode (40) sich vom Ende der anderen Elektrode (31) des ersten Paares zum Ende der einen Elektrode (37) des dritten Paares erstreckt, während die dritte zusätzliche Elektrode (41) Seite an Seite zwischen der srsten und zweiten zusätzlichen Elektrode (39,40) liegt und sich von den Enden der anderen Elektroden (34, 36) des zweiten und dritten Paares zu einem Punkt zwischen den Enden der Elektroden (30, 31) des ersten Paares erstreckt, und daß an die drei zusätzlichen Elektroden (39, 40, 41) wahlweise solche Potentiale anlegbar sind, daß die zur Erzeugung einer wellenleitenden Kristallzone erforderliche Spannung zwischen der ersten und dritten und/oder zwischen der zweiten und dritten zusätzlichen Elektrode anliegt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Elektrodenpaare (30, 31; 33, 34; 36, 37) die drei Arme einer Y-förmigen Anordnung bilden, und daß die dritte zusätzliche Elektrode (41) die Form eines Dreiecks hat, dessen eine Seite an die Enden der anderen Elektroden (34, 36) des zweiten und des dritten Elektrodenpaares angrenzt und dessen dieser Seite gegenüberliegende Spitze an dem Punkt zwischen den Enden der Elektroden (30, 31) des ersten Elektrodenpaares liegt

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuersignalquelle vorgesehen ist, mit welcher ein Bezugspotential (0) an die dritte zusätzliche Elektrode (41) anlegbar ist, ein demgegenüber negatives Potential an jeweils die eine Elektrode (30, 33) des ersten und des zweiten Paares sowie an die andere Elektrode (36) des dritten Paares, ein positives Potential an jeweils die andere Elektrode (31,34) des ersten und des zweiten Paares und an die eine Elektrode (37) des dritten Paares, und wahlweise ein negatives Potential an die erste zusätzliche Elektrode (39) und Bezugspotential an die zweite zusätzliche Elektrode (40) oder positives Potential an die zweite zusätzliche Elektrode (40) und Bezugspotential an die erste zusätzliche Elektrode (39).

Die Erfindung betrifft eine optische Wellenleitereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,

Wie aus »Applied Physics Letters«, Band 19 (1971), S, 128—130 bekannt ist, lassen sich »spannungsinduzierte«

5 optische Wellenleiter dadurch realisieren, daß man den Brechungsindex eines für Lichtwellen im wesentlichen transparenten elektro-optischen Kristalls wie z. B. LiNbO₃ in einer bestimmten Zone erhöht Für Kristalle mit einem positiven elektrooptischen Koeffizienten

to benötigt man hierzu einen positiv gerichteten Potentiaigradienten, während ein negativer elektrooptischen Koeffizient einen negativ gerichteten Potentialgradienten erfordert Die Zone veränderten Brechungsindexes wird durch Elektroden definiert, die auf ein- und derselben Oberfläche des Kristalls angeordnet sind. Die Elektroden können mittels eines normalen photolithogriphischen Verfahrens, wie es von der Herstellung gedruckter Schaltungen her bekannt ist, auf die Oberfläche eines Kristallblocks aus elektrooptischen!

Material aufgebracht sein. Beim Anlegen einer Spannung an die paarweise nebeneinanderliegenden Elektroden kann bei ausreichend großem Potentialgradient in einer begrenzten Zone des Kristalls dessen Brechungsindex gegenüber dem Brechungsindex außer halb dieser Zone so weit erhöht werden, daß die Zone als optischer Wellenleiter wirkt

Bei vielen Kristallen, wie z. B. auch bei dem erwähnten LiNbO₃, hängt die Größe des elektrooptischen Koeffizienten von der Polarisation der sich im Kristall fortpflanzenden Lichtenergie ab, d. h. dieser Koeffizient ist für verschiedene Polarisationen unterschiedlich. Ein in einer Zone eines solchen elektrooptischen Kristalls gebildeter Lichtwellenleiter kann somit polarisationsselektiv wirken, d. h. er kann je nach dem Betrag des aufgeprägten Spannungsgradienten eine oder beide orthogonalen Polarisationskomponenten einer zugeführten Lichtwelle durchlassen und für verschiedene Polarisationen unterschiedliche Ausbreitungscharakteristiken zeigen.

Aus »IBM Technical Disclosure Bull.« 14 (1971), S. 999—1000, sind Lichtwellsnleite. mit auf den entgegengesetzten Oberflächen einer ferroelektrischen Platte angeordneten Elektroden bekannt, von denen die Elektroden auf der einen Plattenseite durch ihre geometrische Anordnung einen Lichtschalter bilden können, durch den je nach der Polarität der angelegten Spannungen Licht aus einem ersten Wellenleiter in einen hierzu parallelen zweiten Wellenleiter geführt werden kann. Diese bekannte Anordnung ist für

so spannungsinduzierte Lichtleiter der obenerwähnten Art nicht geeignet und im übrigen auf polarisiertes Licht beschränkt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtleiteranordnung der eingangs genannten Art anzugeben, weiche die Weiterleitung von Licht aus einem ersten Wellenleiter wahlweise in einen zweiten und/oder dritten Wellenleiter ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Die Schaltanordnung mit den von den drei Elektrodenpaaren räumlich und elektrisch getrennten zusätzlichen Elektroden bestimmt also den Weg des Lichtes, je nachdem, welche Spannungen man zur Steuerung dieser Elektroden anlegt.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert:

F i g. 1 zeigt schematisch einen optischen Wellenleiter desaus»Appl. Phys. Letters« 19, S. 128-130 bekannten