DE2525678A1 - Optisches wellenleiternetzwerk - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Wellenleiternetzwerk zur kreuzungsfreien Umschaltung eines geführten Signals von einem beliebigen Eingang auf einen -beliebigen Ausgang, bestehend aus η optischen parallel zueinander angeordneten Wellenleitern, die auf einem Substrat angeordnet sind, sowie einer Vielzahl von Elektrodenpaaren.

In der optischen Nachrichtentechnik mit geführten Lichtwellen werden neben einfachen Verzweigungen schaltbare Verzweigungsnetzwerke benötigt. Diese Netzwerke können als integrierte, optische Schaltung auf einem Grundsubstrat aufgebaut werden.

Aus einem Artikel von H.F. Taylor "Design of optical circuits" erschienen in NELC TR 1913 AD 779847 Report, April 1974, ist ein Netzwerk dargestellt, wobei die Überkopplung des Lichts von Wellenleiter zu Wellenleiter in einem Schaltelement über eine definierte Koppelstrecke erfolgt. Die Koppellänge, bei der ein bestimmter Wellenleitermode bei gegebenem Wellenleiterabstand und gegebener Wellenleiterbreite von einem in- den anderen Wellenleiter vollständig überkoppelt, ist von den Brechungsindices der Schalterkomponenten abhängig. Bei dieser bekannten Schalteranordnung werden die Brechungsindices eines elektrooptischen Materials durch spezielle Elektrodenstrukturen gesteuert, wodurch Wellenleiter induziert werden, während die Wellenleitung dabei in nur einer Schichtebene stattfindet.

Zum Aufbau eines Netzwerks mit η Eingängen und η Ausgängen werden deshalb η (η - i)/2 Schaltelemente benötigt, um die Problerne des Übersprechens zu minimieren.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Wellenleiternetzwerk anzugeben, das frei von sich überkreuzenden Wellenleitern ist und bei dem eine erhebliche Verringerung der erforderlichen Schaltelemente verwirklicht ist.

Ausgehend von einem Wellenleiternetzwerk der eingangs näher genannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß jeweils zwei Elektrodenpaare derart angeordnet sind, daß jeweils zwei nebeneinander verlaufende Wellenleiter durch zwei Elektrodenpaare verbunden sind und daß entweder das Substrat aus PLZT-Keramik besteht oder daß stattdessen eine Flüssigkristallschicht vorgesehen ist, die oberhalb oder unterhalb der Wellenleiterebene angeordnet ist oder ein anderes elektrooptisches schaltbares Materi al.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind unterhalb und/oder oberhalb der Wellenleiterebene noch eine dielektrische Zwischenschicht vorgesehen, sowie eventuell eine weitere oberhalb der Wellenleiterebene angeordnete dielektrische isolierende Trennschicht.

Mit dem erfindungsgemäßen optischen Wellenleiternetzwerk ist es möglich, das in einem beliebigen optischen Wellenleiter eines Vielfachs von η zuführenden Wellenleitern geführte Signal auf einen beliebigen Ausgang eines Vielfachs von η wegführenden Wellenleitern zu schalten, wobei zwei Wellenleiterschichtebenen verwendet werden, die frei von sich überkreuzenden Wellenleitern sind und demzufolge nur 2 (n - 1) Schaltelemente benötigen. Bei η = 20 bedeutet dies, daß das erfindungsgemäße Wellenleiternetzwerk mit 38 Schaltelementen gegenüber den bei der bekannten Anordnung notwendigen 190 Schaltelementen auskommt.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Netzwerkes besteht darin, daß die Strukturtoleranzen innerhalb der Wellenleiterebenen weniger kritisch sind und daß die Wellenleiter

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als dämpfungsarme Streifenleiter aufgebracht werden können und nur in den kurzen Abschnitten der Schaltelemente die höheren Verluste des elektrooptischen Materials in Kauf genommen werden müssen. Damit werden auch die Nachteile der bekannten Anordnung vermieden, die darin liegen, daß AbstandsSchwankungen bei den extrem schmalen Trennzonen zwischen je zwei Wellenleitern starke Einflüsse auf die Schalteigenschaften haben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Netzwerk, Figur 2 die schematische, nicht maßstabsgetreue Elektrodenan-Ordnung nur einer Koppelstelle,

Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie A-B nach Figur 2, Figur 4 einen Schnitt entlang der Linie C-D nach Figur 2, Figur 5 ein Ausführungsbeispiel mit einer Flüssigkristallschicht und
Figur 6 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel nach Figur

Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten erfindungsgemäßen optischen Wellenleiternetzwerk ist mit 1 ein Substrat bezeichnet, auf dem eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Wellenleitern 2 angeordnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist η = 7, d.h. es sind 7 Wellenleiter angeordnet. Durch die Pfeile soll die Richtung der ankommenden geführten Signale angedeutet sein. Die Wellenleiter 2 können z.B. durch Elektronenstrahlverdampfung eines geeigneten Materials mit bestimmtem Brechungsindex in Verbindung mit der an sich bekannten fotolithografischen Technik auf dem Substrat 1 aufgebracht werden. Das Substrat 1 ist in diesem Fall ein geeignetes elektrooptisches Material. Mit 13, 23 und 14, 24 und 15, 25 etc. sind Elektrodenpaare bezeichnet, die jeweils derart angeordnet sind, daß zwei Elektrodenpaare, beispielsweise 13, 23 und 18, 28 jeweils zwei nebeneinander verlaufende Wellenleiter verbinden.

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Mit Hilfe der einzeln ansteuerbaren Elektrodenpaare wird nun im Substrat 1 ein Wellenleiter 5 (Figur 3, 4) induziert. Zwischen den Wellenleitern 2 und dem Substrat 1 kann sich eine dünne dielektrische Zwischenschicht 3 befinden. Über den Wellenleitern befindet sich weiterhin eine dielektrische isolierende Trennschicht 4, die bei geeigneter Dicke durch die Elektroden verursachte Lichtverluste ausschließt, ohne dabei den Aufbau des induzierten Wellenleiters 5 durch hohe erforderliche Spannungen zu erschweren.

Den Aufbau eines einzelnen Schaltelementes des erfindungsgemäßen Netzwerkes unter Benutzung eines PLZT-Substrates (Bleizirkonat-Bleititanat-Keramik) zeigt Figur 2 in Verbindung mit den Schnittbildern nach Figur 3 und 4. Ohne angelegtes Feld wird das Licht, z.B. in dem verlustarmen Wellenleiter 2_n+. vom Eingang (n+1) zum Ausgang (n+1)' geführt. Hierzu wird für die Brechungsindices die folgende Bedingung erfüllt: n^ / η., wobei mit n₂ der Brechungsindex des Wellenleiters und mit n^ der Brechungsindex des Substrates bezeichnet ist. Liegt an dem Elektrodenpaar I3, 23 eine Spannung an, so wird ein Wellenleiter mit iir. , = n.+ Aⁿ ^* ⁿ2 induziert, so daß die geführte Lichtwelle in das Substrat 1 überkoppelt und dort über den induzierten Kanal zu 2 übergeleitet wird. Dieser Kanal endet im Bereich des Streufeldes 8 des Elektrodenpaares taperförmig entsprechend Figur 4, so daß wieder n* Z. n« gilt und die Lichtwelle im verlustarmen Wellenleiter 2 weitergeführt wird. -

Der Aufbau eines einzelnen Schaltelementes, das die Eigenschaften von Flüssigkristallen ausnutzt, ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Auf das Substrat 1 werden Wellenleiterstreifen und auf die Deckplatte 19 werden Elektrodenstreifen 13» 23 aufgedampft. Das Substrat mit den Streifenleitern 2_n, 2_n+1 sowie die Deckplatte mit den Elektrodenstreifen werden anschließend mit dünnen ca. 150 ft Zwischenschichten 3, 6 derart bedampft, so daß eine lineare Struktur entsteht, an der sich die Flüssigkristall-

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moleküle der Flüssigkristallschicht 20 ausrichten kennen. Das Substrat und die Deckplatte werden durch ebenfalls aufgedampfte Stege, die in den Figuren nicht dargestellt sind, in einem geeigneten Abstand zueinander angeordnet.

Wenn keine Spannung an einem der Elektrodenpaare 13, 23 liegt, dann ist infolge der gewählten Molekühlorientierung der Brechungsindex des Flüssigkristalls kleiner als der Brechungsindex der Lichtleiterstege, aus denen das Licht daher nicht austreten kann, so daß der Schalter geschlossen ist. In dem Raum zwischen einem Elektrodenpaar wird durch Anlegen einer Spannung ein Lichtwellenleiter induziert, dessen Brechungsindex höher ist als der Brechungsindex der Leiterstege. In diesem Zustand ist also der Schalter geöffnet, weil Licht z.B. aus dem Wellenleiter 2_n+1 (Figur 2) in den Wellenleiter 2 übergekoppelt werden kann. Das Flüssigkristallschalterkonzept kann z.B. mit folgender Materialkombination realisiert werden:

Substrat und Deckplatte aus Quarzglas mit dem Brechungsindex η = 1,457

Lichtleiter und Zwischenschichten aus NdF, mit dem Brechungsindex η = 1,601 und einem Flüssigkristall, der im geschlossenen Zustand den Brechungsindex η = 1,555 und im offenen Zustand den Brechungsindex η = 1,755 aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Sandwich-Struktur der wirksamen Bereiche lasssen sich also die Abstandstoleranzen leichter beherrschen als bei einer Anordnung mit nur einer wellenleitenden Schichtebene. Die verlustreicheren elektrooptischen Wellenleiterabschnitte sind sehr kurz im Vergleich zu den Wellenleiterstrecken des gesamten integrierten Wellenleiternetzwerkes.

3 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims (3)

1. -6-Patentansprüche

   Optisches Wellenleiternetzwerk zur kreuzungsfreien Umschaltung eines geführten Signals von einem beliebigen Eingang auf einen beliebigen Ausgang, bestehend aus η optischen parallel zueinander angeordneten Wellenleitern, die auf einem Substrat angeordnet sind, sowie einer Vielzahl von Elektrodenpaaren, dadurch gekennzeichnet , daß jeweils zwei Elektrodenpaare derart angeordnet sind, daß jeweils zwei nebeneinander verlaufende Wellenleiter durch zwei Elektrodenpaare verbunden sind und daß entweder das Substrat aus PLZT-Keramik besteht oder daß stattdessen eine Flüssigkristallschicht vorgesehen ist, die oberhalb oder unterhalb der Wellenleiterebene angeordnet ist oder ein anderes elektrooptisches schaltbares Material.
2. 2. Wellenleiternetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß unterhalb und/oder oberhalb der Wellenleiterebene noch eine dielektrische Zwischenschicht vorgesehen ist.
3. 3. Wellenleiternetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß oberhalb der Wellenleiterebene noch eine dielektrische isolierende Trennschicht vorgesehen ist.

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