DE2527939C2

DE2527939C2 - Verfahren zum Betreiben eines ebenen Multimoden-Lichtwellenleiters

Info

Publication number: DE2527939C2
Application number: DE2527939A
Authority: DE
Inventors: Franklin Winston Ewing Township N.J. Dabby; David Harry Hightstown N.J. Smithgall sen
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1974-07-01
Filing date: 1975-06-23
Publication date: 1983-11-24
Also published as: CA1029225A; US3923373A; GB1508480A; FR2277352A1; FR2277352B1; JPS5126052A; DE2527939A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines ebenen Multimoden-Lichtwellenleiters, der einen Gradienten im Brechungsindex besitzt.

E;bene Wellenleiter für integrierte optische Schaltungen werden auf verschiedenen Wegen hergestellt. Die gängigste Methode ist, ein dielektrisches Material auf einem dielektrischen Substrat niedrigeren Brechungsindexes niederzuschlagen; siehe beispielsweise »Integrated Optics: An Introduction« von S. E. Miller, Bell System Technical Journal, Band 48, Heft 7 (September 1969), Seiten 2059-2069, und »Sputtered Glass Waveguide for Integrated Optical Circuits« von J. E. Goell und R. D. Standley, Bell System Technical Journal, Band 48, Heft 10 (Dezember 1969), Seiten 3445-3448. Mit dieser Methode hergestellte Wellenleiter haben eine Brechungsindexverteilung, die in drei verschiedenen Zonen konstant ist, wobei Brechungsindex-Stufen an Jen Grenzflächen zwischen der wellenleitenden Schicht und den beiden oberhalb und unterhalb hiervon angrenzenden Zonen vorhanden sind.

Ein weiterer Weg für die Herstellung integrierter optischer Wellenleiter besteht in der Eindiffusion eines geeigneten Materials in ein Substrat mit dem Ziel, den Brechungsindex des Substrates nahe dessen Oberfläche zu erhöhen. Alternativ kann der Brechungsindex von elektrooptischen kristallinen Eindomänen-Materialien wie Lithiumniobat oder Lithiumtantalat durch Ausdiffusion von Lithiumoxid aus der Oberfläche des Materials oder durch Anlegen lokaler elektrischer Felder (siehe US-PS 37 95 433) erhöht werden. Diese Methoden führen zu einem ebenen Wellenleiter mit einem Gradienten im Brechungsindex. Diese ebenen Wellenleiter mit einem Gradienten im Brechungsindexprofil sind ihrer allgemeinen Natur nach Multimoden-Wellenleiter.

Während diese Wellenleiter mit einem Gradienten im Brechungsindex in vielerlei Hinsicht optisch überlegen sind, haben sie die Eigenschaft, optische Energie in vielen verschiedenen Moden fortzupflanzen bzw. zu übertragen. Beispielsweise wurde von einigen Wellenleitern berichtet, daß sie bis zu 300 verschiedene Moden besitzen. Diese Multimoden-Eigenschaft macht die Wellenleiter mit einem Gradienten im Brechungsindex für einige Anwendungsfälle ungeeignet, beispielsweise für optische Modulatoren, Demodulatoren, Filter u. dgl.

Es sind auch schon ebene Einzelmoden-Wellenleiter bekannt Sie werden hergestellt durch Bestrahlen von SiO2-Glas mit Protonen oder Deuteronen, um einen vergrabenen Kanal mit für Einzelmodenführung geeigneten kleinen Abmessungen (ca. 10 μπι) und einem leicht höheren Brechungsindex innerhalb des Quarzglases zu erzeugen, siehe JOSA, V. 58, Seite 1171 -1176, September 1968, und Applied Optics, V. 11, Seite 1313-1316, Juni 1972. Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zum Einsatz eines Multimode-Lichtwellenleiters ebener Geometrie anzugeben, das diesem Lichtwellenleiter modenselektive Eigenschaften verleiht, mithin gesonderte und überdies kritische Verfahren zur Herstellung von Einzelmoden-Wellenleiter entfallen können.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe für das vorausgesetzte Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Gegenstand der Erfindung ist auch ein ebener Multimodenlichtwellenleiter für das erfindungsgemäße Verfahren. Seine Besonderheit besteht darin, daß seine lichtleitende Schicht in einem einkristallinen dielektrischen Körper, vorzugsweise aus Lithiumniobat oder aus Lithiumtantalat, verläuft.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, deren einzige Figur einen Modulator 10 mit einem planaren Wellenleiter 11 zeigt.

Es sei jedoch bemerkt, daß die Erfindung nicht auf optische Modulatoren beschränkt ist, sondern auch auf jeden planaren Wellenleiter mit einem Gradienten im Brechungsindex oder auf jede aktive oder passive Vorrichtung mit einem solchen Wellenleiter anwendbar ist.

Der Wellenleiter 11 weist eine einkristalline dielektrische Platte, beispielsweise eine LiNbO3- oder LiTaOß-Platte, auf, die zum Beispiel durch Ausdiffusion von L12O so behandelt worden ist, daß ein Oberflächenbereich 12 einen höheren Brechungsindex als die restliche Platte besitzt. Der Brechungsindex kann mit zunehmender Entfernung von der oberen Oberfläche der Platte linear abfallen, im allgemeineren Fall wird aber ein nichtlinearer Brechungsindexgradient, beispielsweise in Form einer komplementären Fehlerfunktionsverteilung vorhanden sein.

Zwei Elektroden 13 und 14 sind auf die Oberfläche des Wellenleiters 11 niedergeschlagen und mit einer Modulationspotentialquelle 16 verbunden. Die Elektroden 13 und 14, die auf die Oberfläche des Wellenleiters 11 aufgedampfte oder aufgestäubte Golddünnschichten sein können, erzeugten innerhalb des Körpers des Wellenleiters 11 ein streifendes elektrisches Feld, das typischerweise 20 μιη tief reicht und in allgemein bekannter Weise den Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters selektiv ändert.

Strahlungsenergie, beispielsweise koherentes mo-

nochromatisches Licht von einem Laser tritt in den Wellenleiter entweder direkt oder, wie dargestellt, über eine erste Lichtleit-Faser 17 am linken Ende des Wellenleiters ein und aus diesem über eine zweite Lichtleit-Faser 18 aus.

Obgleich nicht dargestellt, kann es notwendig sein, einen oder zwei Tropfen einer den Brechungsindex anpassenden Flüssigkeit an der Obergangsstelle zwischen den Fasern 17 und 18 und dem Wellenleiter 11, beispielsweise an der Stelle 19, vorzusehen.

Wie nachstehend im einzelnen noch beschrieben wird, wird die Lichtleit-Faser 18 an den Wellenleiter 11 nicht an der Oberfläche der Zone 12 angekoppelt, sondern in genau vorbestimmten! Abstand d unterhalb der

Tabelle 1

10 Oberfläche, wobei sich dieser Abstand von Wellenleiter zu Wellenleiter ändert und vom speziellen Mode abhängt, in welchem Energie in der Faser übertragen werden soll.

Die nachstehende Tabelle 1 gibt die Resultate einiger Versuche wieder, die an mehreren planeren Wellenleitern mit verschiedenen Brechungsindexgradienten durchgeführt worden sind. In der Tabelle bedeutet Δη die Änderung des Brechungsindexes zwischen dem Hauptteil des Wellenleiters (Ά> = 2,214) und dem behandelten Bereich, ferner bedeuten a die Tiefe des behandelten Bereichs in Mikrometer, k den Kehrwert der Wellenlänge im Wellenleiter und n_effden effektiven Brechungsindex im Wellenleiter.

An

ka	Moden-Nr
1558.88	0 1
1558.88	0 2
1181.57	0 2
565.76	0 1
695.04	0
3346.18	0 1 2 3 4 5

••'ff/·

Energie-Eingrenzung 90% 100%

2.8	X	ίο-³	157μ
1.9	X	ίο-³	157μ
1.5	X	ΙΟ"³	119μ
1.6	X	10~⁵	57μ
1.0	X	ΙΟ"³	70μ
4.0	X	ΙΟ"³	337μ

Für den Versuchswellenleiter RSl zeigt die Tabelle 1, «o daß 90% der Energie im Null-Mode eingegrenzt sind auf die ersten 14 μιη und praktisch 100% dieser Moden-Energie auf die ersten 28 μηι des Bereichs 12 eingegrenzt sind. Der erste Mode hat andererseits 90% seiner Energie auf innerhalb der ersten 23 μιη und praktisch 100% auf innerhalb der ersten 38 μιη eingegrenzt. Obwohl also eine gewisse Überschneidung zwischen den Energiebändern im Null-Mode und im ersten Mode vorhanden ist, kann durch Anordnen einer Lichtleit-Faser, vorzugsweise einer in nur einem ~'° einzigen Mode übertragenden Faser, derart, daß diese an das Ende des Wellenleiters innerhalb des gewünschten Energiebandes angrenzt, erreicht werden, daß praktisch nichts der sich im Wellenleiter fortpilanzenden unerwünschten Moden in die Faser eingekoppelt wird, also im wesentlichen eine Einzelmoden-Kopplung erhalten wird. Genau dieselbe Technik trifft auch auf eine Modenanregung im Wellenleiter 11 zu.

Ist man daher hauptsächlich am Null-Mode interessiert, so würde als Faser 18 eine Einzelmoden-Faser gewählt werden und würde, falls der Versuchswellenleiter RSl benutzt wird, so angeordnet werden, daß 14 μ<ί/<28μ eingehalten wird. In ähnlicher Weise würde, wenn es gewünscht ist, den Wellenleiter 11 so anzuregen, daß er einen einzelnen Mode überträgt, wie ^b5 dieses beispielsweise gewünscht wird, wenn der Wellenleiter als Modulator betrieben werden soll, ein Laserstrahl o. dgl. auf den Wellenleiter so zu richten

2.21663	14a 28μ
2.21578 2.21560	16α 35μ
2.215365 2.2152	16α 35μ
2.2140060 2.2140008	62α 148μ
2.214855	15μ
2.21786 2.21777 2.21768 2.21762 2.21756 2.2175	17α 27μ 35α 43 α 51μ
if innerhalb	desselben

143μ 348μ 26μ 34μ 44μ 51α 59μ 68α

sein, daß hierauf innerhalb desselben 14μηι breiten Energiebandes auftrifft.

Streng genommen ändert sich der Einführungswinkel für jeden Mode von Mode zu Mode. Theoretisch sollte dann die Faser 18 einen verschiedenen Winkel mit dem Ende des Wellenleiters für jeden ein- oder ausgekoppelten Mode bilden. In der Praxis ist aber, weil die Differenz im Brechungsindex zwischen Substrat 11 und der Oberflächenzone 12 klein ist, typischerweise kleiner als 4 χ 10^³, die Differenz zwischen den verschiedenen Einführungswinkeln zu klein um aufgelöst zu werden und kann deshalb vernachlässigt werden.

Es sei bemerkt, daß die vorstehend beschriebene wirksame Endanregung einzelner Moden nicht bewerkstelligt werden kann mit den üblicheren Prismenkopplungsmethoden, die große Differenzen im effektiven Brechungsindex fordern. Im vorliegenden Fall ändert sich dieser, wie aus Tabelle 1 hervorgeht, nur in der vierten Dezimalstelle. Entsprechend der Erfindung aufgebaute Wellenleiter sind daher viel leichter und billiger herzustellen.

Gleichfalls sei bemerkt, daß die räumliche Eingrenzung der Moden niedrigerer Ordnung nicht kritisch von den exakten Werten der Brechungsindexänderung oder von den Wellenleiterabmessungen abhängt. Daher braucht der Wellenleiter nicht innerhalb kritischer Toleranzen hergestellt zu werden, um diese Eigenschaften in kontrollierter Weise zu erhalten, was gleichfalls von praktischem Nutzen ist.

Schließlich erstreckt sich im Falle des dargestellten Modulators das streifende Feld von den Elektroden 13 und 14 annähernd 20 μιη in den Wellenleiter hinein, was mehr als genug ist, den Null-Mode modulieren zu können; denn dieser ist, wie ersichtlich, eng auf einen oberflächennahen Bereich des Wellenleiters in Form eines Bandes, beispielsweise zwischen 14 und 20 μιη Tiefe bei der Probe RSI, eingegrenzt.

Im Sinne der vorliegenden Beschreibung bedeutet de Ausdruck Brechungsindex-Gradient eine Brechungsir dexverteilung, die gekennzeichnet ist durch klein prozentuale Änderungen der gesamten Brechungsir dexdifferenz, die innerhalb einer Viertel-Wellenläng der sich im Wellenleiter fortpflanzenden Wellenenergi auftreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben eines ebenen Multimoden-Lichtwellenleiters, der einen Gradienten im Brechungsindex besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinkoppelstelle oder die Lichtauskoppelstelle (19) an einer Stirnfläche des Wellenleiters (11) bezüglich des Brechungsindexgradienten so gelegt wird, daß im wesentiichen nur ein ausgewählter Mode im Wellenleiter angeregt bzw. aus dem Wellenleiter ausgekoppelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung bzw. Auskopplung durch eine Lichtleitfaser (17,18) erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung durch eine kohärente Lichtstrahlungsquelle erfolgt.

4. Ebener Multimoden-Lichtwellenleiter für das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß seine lichtleitende Schicht (12) in einem einkristallinen dielektrischen Körper verläuft.

5. Multimodenwellenleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (11) aus Lithiumniobat oder aus Lithiumtantalat besteht.

6. Multimoden-Lichtwellenleiter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Schicht (12) nahe der und parallel zur Oberfläche verläuft und daß diese Oberfläche Elektroden (13, 14) aufweist.