DE2421337C2

DE2421337C2 - Modenwandler für optische Wellenleiter

Info

Publication number: DE2421337C2
Application number: DE2421337A
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. 8000 München Auracher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-05-02
Filing date: 1974-05-02
Publication date: 1982-10-28
Also published as: FR2269728A1; FR2269728B1; DE2421337A1; US3980392A; GB1512567A; JPS50151548A

Description

2. Modenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstruktur wenigstens in Teilbereichen aus elektrooptischen! Material besteht, dessen Brechungsindex durch ein mittels Elektroden erzeugtes elektrisches Feld steuerbar ist.

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Die Erfindung betrifft einen Modenwandler für optische Wellenleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In optischen Übertragungssystemen ist es wünschenswert, Multimode- und Monomode-Systeme zu kombinieren. So können dann mehrere Multimode-Systeme mit niedriger Bandbreite in einer Zentrale auf Monomode-System großer Bandbreite zusammengefaßt und über große Entfernungen zur einer anderen Zentrale übertragen werden, wo das Monomode-System wieder auf mehrere schmalbandige Multimode-Systerne aufgeteilt wird. Weiterhin ist es wünschenswert, über ein Multimode-System zu verfügen, das an integrierte optische Bauteile angeschlossen werden kann. Da integrierte optische Bauteile wesentlich einfacher in Monomode-Ausführung oder für wenige niedrige Moden herzustellen sind und manche Bauteile vom Prinzip her überhaupt nur für Monomode-Betrieb ausgelegt werden können, sind auch hier Wandler erforderlich, die mehrere Moden auf einen oder mehrere niedrige Moden umwandeln bzw. umgekehrt.

Auch für Filterzwecke sind Modenwandler wünschenswert, die einen bestimmten Modus auf einen anderen Modus umwandeln oder die nur einen oder mehrere Moden durchlassen oder sperren. Ein derartiges Modenfilter könnte z. B dazu verwendet werden, von einer Multimode-Faser die höheren Moden auszufiltem und diese zum Versorgen von kurzen Teilnehmerleitungen zu verwenden, während die niedrigeren Moden wegen der geringen Dämpfung und der geringeren Laufzeit Verzerrungen über längere Strecken übertragen werden.

Die Trennung der einzelnen Moden mittels Modenfiltern ermöglicht bei Lichtwellenleitern mit geringer Modenumwandlung auch das Ausgleichen der Laufzeitunterschiede und Dämpfungsunterschiede der einzelnen Moden, so daß eine wesentlich größere Bandbreite erzielt werden kann.

Auch bei vielen optischen Bauelementen, wie parametrischen Verstärkern und bei Frequenzdopplern, ist ein Modenwandler erforderlich, da im allgemeinen anisotrope Wellenleiter gekoppelt werden, in denen je ein verschiedener Modus ausbreitungsfähig ist, weil im allgemeinen nur für verschiedene Moden eine Phasenanpassung möglich ist

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Modenwandler der genannten Art anzugeben, der zwischen verschiedene Moden führende optische Wellenleiter koppelbar ist Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmalskombination gelöst

Es wird darauf hingewiesen, daß es im Rahmen der Modenfilterung und damit in gewisser Weise auch der Modenwandlung bereits aus der US-PS 36 17 109 oder der US-PS 36 10 727 bereits bekannt ist, einen Taper zu verwenden, der auf einem Substrat angeordnet ist und der eine kleinere Stirnfläche und eine größere Stirnfläche aufweist.

Vorzugsweise ist zur gleichphasigen Überlagerung der umgewandelten Moden der erfindungsgemäße Modenwandler so ausgebildet, wie es im Anspruch 2 angegeben ist.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Modenwandlers besteht darin, daß die einzelnen Moden mit verschiedener Feldverteilung voneinander getrennt werden, daß die Feldverteilung des umzuwandelnden Modus auf die Feldverteilung des gewünschten Modus umgewandelt wird und daß die umgewandelten Moden phasenrichtig überlagert werden. Wenn die ursprünglichen Moden zueinander feste Phasenbeziehungen hatten, müssen vor der Überlagerung die Phasen der einzelnen umgewandelten Moden noch so korrigiert werden, daß sich nun alle umgewandelten Moden konstruktiv überlagern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 den schematischen Aufbau eines Übertragungssystems mit erfindungsgemäßen Modenwandlern, F i g. 2 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Modenwandlers und die

F i g. 3 und 4 zwei andere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Modenwandlern.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Multimode-Faser bezeichnet, in der sich Moden verschiedener Ordnung aber gleicher Polarisation ausbreiten können; mit 2 ist eine Monomode-Faser bezeichnet. Zwischen diesen beiden Fasern ist ein Modenfilter 3 angeordnet, so daß in Wellenausbreitungsrichtung gesehen, in den Fasern 4, 5 und 6 Lichtwellen mit verschiedenen Moden sich ausbreiten. Mit 7 sind die erfindungsgemäßen Modenwandler bezeichnet, die beispielsweise einen Modus / auf den Grundmodus 1 umwandeln können. Mit 8 sind Phasenkorrekturglieder bezeichnet, die zur phasenrichtigen Überlagerung der umgewandelten Moden erforderlich sind. Die Überlagerung selbst findet in einem Überlagerungsglied 9 statt, so daß in der Monomode-Faser 2 eine beispielsweise zu Übertragung über große Entfernungen geeignete Lichtwelle zur Verfügung steht. In F i. 2 ist schematisch der Aufbau eines erfindungsgemäßen Modenwandlers dargestellt. Mit diesem Modenwandler können eine oder mehrere bestimmte Moden eines Lichtwellenleiters 11, der als Schicht- oder rechteckförmiger Wellenleiter auf einem Substrat 10

angeordnet sein kann, auf einen oder mehrere bestimmte Moden eines zweiten Lichtwellenleiters 14 umgewandelt werden. Dazu werden die beiden Wellenleiter über eine geeignete Koppelstruktur 12 und unter Verwendung eines oder mehrerer Taper 13 zum Anpassen der Phasengeschwindigkeiten der zu koppelnden Moden gekoppelt. Da verschiedene Moden in einem Wellenleiter auch verschiedene P'usengeschwind'igkeiten haben, kann Energie von einem Wellenleiter in einen anderen Wellenleiter selektiv nur von dem Modus (den Moden) übergekoppelt werden, desstn (deren) Phasengeschwindigkeit(en) gleich der eines ausbreitungsfahigen Modus im anderen Wellenleiter ist

Die Phasengeschwindigkeiten eines bestimmten Modus hängen von den Dimensionen des Wellenleiters und von den Brechungsh;dices der den Wellenleiter bildenden Materialien ab. Um die Phasengeschwindigkeiten der beiden zu koppelnden Moden anzugleichen, wird im allgemeinen ein Taper und/oder eine periodische Struktur verwendet Die zwei gekoppelten Wellenleiter 11, 14 koppeln dann über Oberflächen- oder Leck-Wellen nur die Moden, die in beiden Wellenleitern etwa die gleiche Phasengeschwindigkeit Jiaben. Ein solcher Modenwandler kann dann z. B. den Modus / auf den Grundmodus umwandeln. Kombiniert man mehrere solche Modewandler, z. B. für die Moden /= 1,2,... π dann kann man im Prinzip alle Moden von 1 bis π in den Grundmodus umwandeln.

Wendet man strahlenoptische Überlegungen an, dann entsprechen den verschiedenen Moden verschiedene Öffnungswinkel des Lichtstrahls zur Ausbreitungsrichtung, d. h. der Lichtstrahl wird mit diesem öffnungswinkel an den Begrenzungsflächen des Wellenleiters zick-zack-förmig total reflektiert. Der Taper 13 bewirkt dann eine allmähliche Änderung des Öffnungswinkels des Strahls bis der gewünschte synchrone Winkel zur Kopplung erreicht ist. Sollen mehrere Moden des einen Wellenleiters auf ein oder mehrere niedrigere Moden des anderen Wellenleiters übergekoppelt werden, so kann dies durch mehrere hintereinander angeordnete Taper und Koppelstrukturen oder einen kontinuierlichen Taper und Koppelstrukturen erfolgen, wie es F i g. 3 zeigt.

Dabei wird kohärentes Licht, das auf mehrere Moden verteilt ist, von rechts in Pfeilrichtung in den unteren Wellenleiter 11 eingekoppelt, wobei dann ein hoher Modus (großer Öffnungswinkel des Lichtstrahls zur Achse) zwischen den Grenzflächen Π3//74 und n₂/n₃ mehrfach reflektiert wird. Mit n₂ ist dabei der Brechungsindex der Koppelstrukturen bezeichnet, mit m der Brechungsindex des unteren Wellenleiters und mit /J₄ der Brechungsindex des Substrates. Die Taper 13 bewirken, daß sich der Öffnungswinkel des Strahls zur Achse bei der Reflektion verkleinert, bis die Phasengeschwindigkeit des betreffenden Modus im unteren Wellenleiter 11 mit der Phasengeschwindigkea eines ausbreitungsfähigen Modus, z. B. des Grundmodus, im oberen Wellenleiter 14 übereinstimmt. Es findet dann ein Überkopplung der Lichtenergie in dem oberen Wellenleiter 14 statt.

Bei richtiger Wahl der Brechungsindices π der gekoppelten Wellenleiter und der Dicke des oberen Wellenleiters 14 wird dann der Strahl im oberen Wellenleiter durch Totalreflexion weitergeführt Wird dagegen von rechts ein niedriger Modus (kleiner Öffnungswinkel) angeregt, dann wird der Öffnungswinkel des Strahls bereits nach wenigen Reflexionen im Taper 13 ausreichend verkleinert, und der synchrone Ausbreituiigswinkel und somit die Oberkopplung in den oberen Wellenleiter erreicht, wo der Strahl dann durch Totalreflexion weitergeführt wird. Das Verhältnis der Öffnungswinkel Ω, am Eingang bzw. Ausgang eines Tapers ist

"2

wobei W₁ die Dicken des Tapers am Eingang bzw. Ausgang sind Der maximale Öffnungswinkel (Ω {)_max im unteren Wellenleiter 11, der noch in den oberen Wellenleiter 14 eingekoppelt werden kann, ist

wobei (O₂VcTz der Öffnungswinkel ist, der dem Grenzwinkel der Totalreflexion im oberen Wellenleiter 14 entspricht

Dabei ist vorausgesetzt, daß n, ungefähr gleich n₃ ist und daß die strahlenoptischen Überlegungen gültig sind. Soll auch der Grundmodus des unteren Wellenleiters 11 noch in den oberen Wellenleiter 14 eingekoppelt werden, so muß auch die folgende Bedingung erfüllt sein:

cos

~φ-\ Ί

Sollen mehrere Moden mit zueinander zeitlich konstanter Phasenbeziehung auf ein und denselben Modus umgewandelt werden, dann müssen die aus den einzelnen Moden umgewandelten Komponenten so phasenverschoben werden, daß sie sich alle gleichphasig überlagern. Diese Phasenkorrektur kann im Prinzip so vorgenommen werden, wie es in den Fig.3 und 4 dargestellt ist. Dabei werden die einzelnen Moden getrennt durch, z. B. Taper 13 und Kopplungsstrukturen 12 ausgekoppelt und die Phasenunterschiede zwischen den einzelnen umgewandelten Komponenten durch

so Wellenleiterstücke geeigneter Länge geeigneten Brechungsindex und geeigneter Dicke, die die Auskoppelregionen verbinden, ausgeglichen. Da aber die Anforderungen an die Toleranzen der phasenkorrigierenden Wellenleiterstücke sehr hoch sind, ist es günstiger, die Phasenverzögerungen extern zu kontrollieren. Dazu werden Stücke 15 aus elektrooptischen! Material mit Elektroden 16 in die Wellenleiter eingebaut. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Stücke 15 aus elektrooptischen! Material, läßt sich der Brechungsindex und damit die Phasenverschiebung :n diesen Stücken extern korrigieren. Mit 17 ist in Fig.4 weiterhin ein Richtungskoppler bezeichnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Medenwandler für optische Wellenleiter zur Umwandlung von Moden verschiedener Ordnung aber gleicher Polarisation, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Ein ankommender schicht- oder rechteckförmigerWellenleiter(ll)mitdemKernbrechungsin- dex «3 ist auf einem Substrat (10) vom Brechungsindex m angeordnet;

b) der Wellenleiter (Ii) ist mit seiner Stirnfläche an die kleinere Stirnfläche der Dicke w\ eines keilförmigen Schichtwellenleiters (3), d. h. eines Tapers, angekoppelt, der ebenfalls auf dem Substrat angeordnet ist und dessen größere Stirnfläche die Dicke ii$ aufweist;

c) die dem Substrat abgewandte große Stirnfläche des Tapers ist mit einer Koppelstruktur (12) des Brechungsindex itz bedeckt, mittels der Leckwellen aus dem Taper in eine auf der Koppelstruktur aufliegenden Wellenieiterschicht (14) einkoppelbar sind.