DE2543469A1 - Verfahren zum durchstimmen schmalbandiger wellenleiterreflektoren sowie anordnungen hierfuer - Google Patents

Verfahren zum durchstimmen schmalbandiger wellenleiterreflektoren sowie anordnungen hierfuer

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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den ■
Berlin und München Witteisbacherplatz 2
VPA
75P 7 179 BRD
Verfahren zum Durchstimmen schmalbandiger Wellenleiterreflektoren sowie Anordnungen hierfür
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchstimmen schmalbandiger auf einem Substrat aufgebrachter Wellenleiterreflektoren, die periodische Störungen des Wellenleiters oder seiner unmittelbaren optisch wirksamen Umgebung aufweisen, sowie Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Reflektoren für wellenleitende optische Schichten sind durch konventionellen Aufbau mit dielektrischen Schichtsystemen nicht mehr realisierbar. Nur in Sonderfällen bei geometrisch dickeren Wellenleitern lassen sich dielektrische Endspiegel noch mit Hilfe einer allerdings technologisch sehr aufwendigen Hybridtechnik in den Lichtweg des Wellenleiters einfügen.
Alternativ hierzu gibt es die Möglichkeit der verteilten Rück-15' kopplung (DFB) und verteilten Bragg-Reflexion (DBR) durch periodische Störungen des Wellenleiters oder seiner unmittelbaren optisch noch wirksamen Umgebung in Lichtausbreitungsrichtung. Die periodische Störung ist eine örtliche Variation des effektiven Brechungsindex
η ff =/3/k = c/v für den betrachteten Mode, d.h. für das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit dieses Modes im Wellenleiter. Der effektive Brechungsindex η f- ist beim Reflektor mit der Gitterkonstante g der periodischen Störung durch die Bragg-Bedingung
verknüpft. Derartig kleine Gitterkonstanten lassen sich aber für den optischen Wellenlängenbereich derzeit nur holografisch
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entweder direkt als periodische Dickenvariation eines Fotolacksuperstrates oder mittels nachfolgender fotolithografischer Verfahrenstechniken im Wellenleiter erzeugen, wie beispielsweise durch Ätzprozesse, Aufdampftechnik, Diffusion und Implantation. 5
Dabei ist es jedoch schwierig, die geforderten Toleranzen für die Gitterkonstante g exakt einzuhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Durchstimmen schmalbandiger Wellenleiterreflektoren sowie Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Bragg-Bedingung der Reflexion durch Anpassung des effektiven Brechungsindex η -~ der wellenleitenden Schicht entweder durch Änderung der Dicke des Wellenleiters oder durch elektrooptische oder magnetooptische Änderung des Brechungsindex des Substrates oder eines Superstrates erfüllt wird.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus,daß eine Anpassung an eine gegebene Wellenlänge λ gemäß der Verknüpfungs-. gleichung g . η f. ~ = λ/2 durch Änderung des effektiven Brechungsindex η f- möglich ist.
Eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus einem Substrat und einem darauf aufgebrachten Wellenleiterstreifen mit periodischer Störung, wobei der Wellen leiterstreifen eine sich kontinuierlich über die Breite des Streifens ändernde Dicke aufweist
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung besteht das Substrat aus elektrooptischen! Material, wobei der Wellenleiter ein im Substrat angeordneter wellenleitender Kanal ist und wobei parallel zu dem Kanal verlaufende Elektroden auf dem Substrat angeordnet
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sind.
Bei noch einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ist auf dem Wellenleiter ein Superstrat aus einem Flüssigkristall vorgesehen, wobei die Flüssigkristallschicht zwischen Elektroden angeordnet ist.
Ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel eines durchstimmbaren Wellenleiterreflektors besteht aus einem Substrat, einer ersten auf dem Substrat aufgebrachten Elektrode, einem darauf angeordneten Kristall aus elektrooptischen! Material mit einem wellenleitenden Kanal und periodischen Störungen, einer darauf aufgebrachten Zwischenschicht mit einem parallel und beidseitig zum Kanal verlaufenden Elektrodenpaar, einer darauf aufgebrachten Flüssigkristallschicht, einer zweiten Elektrode und einer Deckplatte .
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen keilförmigen Wellenleiterstreifen,
Figur 2 eine ReflektorabStimmung mit einem elektrooptischen Kristall Figur 3 eine Reflektorabstimmung mit einem Flüssigkristall, Figur 4 eine Reflektoranordnung mit quasi-statischer Abstimmung und zusätzlicher Feinabstimmung, Figur 5 einen Wellenld termodulator und Figur 6 einen Wellenleiterlaser mit durchstimmbaren Strukturen.
Zum einmaligen Abstimmen auf die Wellenlänge λ ist insbesondere die Dickenänderung eines Wellenleiters geeignet, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Dabei ist mit 1 ein Substrat mit dem Brechungsindex n. bezeichnet, mit 2 ein keilförmiger Wellenleiterstreifen mit periodischer Störung 3> beispielsweise erinem Hologrammgitter, wobei der Wellenleiterstreifen 2 den Brechungsindex n2 aufweist und sich seine Dicke kontinuierlich über die
Breite des Wellenleiterstreifens ändert. Somit gibt es einen
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Ort xo t, für den die Bragg-Bedingung bei geeigneter Lichteinkopplung optimal erfüllt ist. Die Ausbreitungsrichtung der geführten Wellen ist dabei durch den Doppelpfeil angedeutet. Die kleinste Dicke des Keiles ist dabei mit W und die größte Dicke des Keiles mit W2 bezeichnet.
Bei der in Figur 1 gezeigten Anordnung ergibt sich unter Verwendung der folgenden Daten eine Änderung des effektiven Brechungsindex Λ nQff = 0,040 = 2,5 %: ηή = 1,53, n2 = 1,68, W = 0,4 /um und W2 = 0,6 /um, entsprechend (/3/Ie)1 = 1,588 und (/3/k)2 = 1,628 und zwar für den TMQ-Mode. Für eine realisierte Gitterkonstante g = 0,3000 /um ist damit eine Korrektur Δ g = g . (Δ neff j / ngff = 0,0076 /um möglich.
Eine Anordnung, bei der die Abstimmung auf die Wellenlänge Λ durch elektrooptisch induzierte Änderung des Brechungsindex vorgenommen wird, zeigt Figur 2. Hierbei ist wieder mit 1 einSubstrat bezeichnet, das diesmal aus elektrooptischem Material, beispielsweise Lithiumniobat, besteht mit dem Brechungsindex n., wobei in dem Substrat 1 ein wellenleitender Kanal 2 mit dem Brechungsindex n~ angeordnet ist. Der wellenleitende • Kanal 2 kann z.B. durch Eindiffusion von Titan in Lithiumniobat oder Ausdiffusion von Niob oder durch andere bekannte Verfahren in dem eleltrooptisehen Material erzeugt werden.
Mit 3 ist die periodische Störung in oder auf dem Wellenleiter bezeichnet, mit 4 zwei parallel zum Kanal verlaufende Elektroden und mit 5 eine dielektrische Zwischenschicht mit dem Brechungsindex η,-^η,,. Die Änderung des Brechungsindex η ££ zur Abstimmung wird über das elektrische Feld zwischen den Elektrodenstreifen bewirkt. Hiermit sind jedoch nur kleine Korrekturen zur Anpassung der Gitterkonstante g möglich, wie das folgende Beispiel zeigt. Es sei /\ = 1,06 /um (YAG-Laserwellenlänge), η ~£ = 1,8 und entsprechend der Bragg-Bedingung g = 294,4 nm. Wird eine elektrooptisch induzierte Brechungsindexänderung Δ neff ^iIO"5 angenommen, so ergibt sich nur Ag = g . ) A neff/ / £ίθ,ΐ6 nm. Dieser Wert entspricht der 2~ bis 3-fachen
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Halbwertsbreite der experimentell realisierbaren wellenlängenabhängigen Reflexionscharakteristik.
Stärkere Änderungen von Δ η ff in der Größenordnung von 10
lassen sich mit Flüssigkristallen erreichen, womit entsprechend
ρ
eine um den Faktor 10 gegenüber dem in Figur 2 dargestellten Beispiel größere Änderung von Ag eintritt. In Figur 3 ist der Aufbau eines periodisch gestörten Wellenleiters in Verbindung mit einem elektrooptisch steuerbaren Flüssigkristall als Superstrat in einer der möglichen Ausführungsformen für diese Art der Abstimmung dargestellt. Auch hierbei ist wieder mit 1 das Substrat bezeichnet, mit 2 der Wellenleiter, mit 3 die periodische Störung in oder auf dem Wellenleiter und mit 4, 41 zwei Elektroden. Mit 5 ist eine auf der Elektrode 4 aufgebrachte dielektrische Zwischenschicht bezeichnet. Zwischen dieser Zwischenschicht 5 und der Elektrode 4' befindet sich nun eine Flüssigkristallschicht als Superstrat, auf der noch eine Deckplatte 7 vorgesehen ist. Flüssigkristalle folgen in ihren optischen Eigenschaften den Änderungen der elektrischen FeIdstärke nun relativ langsam, und zwar in der Größenordnung von msec, während elektrooptische Kristalle, wie Lithiumniobat und andere, dagegen sehr schnell, d.h. in der Größenordnung von Pikosekunden, den Änderungen der elektrischen Feldstärke folgen.
Kombiniert man daher die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Anordnungen in geeigneter Weise, wie dies in einer der möglichen Ausführungsformen in Figur 4 dargestellt ist, so kann über den Flüssigkristall eine quasistatische Anpassung in einem weiten Wellenlängenbereich vorgenommen werden und über den elektrooptischen Kristall mit dem Wellenleiter die Reflektoranordnung zusätzlich extrem schnell fein abgestimmt werden. Die Rihtungen der elektrischen Feldstärke beider Steuerfelder und die Kristallachsen werden dabei so gelegt, daß die beiden elektrooptischen Effekte mögliehst unabhängig voneinander bleiben. Bei dem
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in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist wieder mit 1 ein Substrat bezeichnet, mit 4, 41 ein Elektrodenpaar, mit 13 ein Kristall aus elektrooptischen! Material, mit 2 ein wellenleitender Kanal im Kristall, mit 3 die periodische Störung in oder auf dem Wellenleiter, mit 6 eine Flüssigkristallschicht, mit 5 eine dielektrische Zwischenschicht, mit 8, 8' ein zweites Elektrodenpaar und mit 7 eine Deckplatte.
Die erfindungsgemaßen Anordnungen lassen sich vorteilhafterweise bei integriert optischen Filtern, Modulatoren und Wellenleiterlasern verwenden. In Figur 5 ist die Verwendung eines abstimmbaren Reflektors zur Modulation dargestellt. Hierbei ist mit 11 ein Wellenleiter für ankommende Wellen bezeichnet, mit 12 ein Wellenleiter für schmalbandig reflektierte Wellen, mit 13 ein abstimmbares Filtergitter, mit 14 ein Analysatorgitter, mit 15 ein elektrooptischer Kristall und mit 16 ein Träger. Die im Wellenleiter 11 geführte Wells wird von dem abstimmbaren Reflexionsfilter 13-in den Wellenleiter 12 schmalbandig reflektiert und trifft dort auf den Wellenlängenanalysator 14. Dieser Analysator kann entweder ein starrer, schmalbandiger Reflektor oder ein quasistatisch oder dynamisch abstimmbarer schmalbandiger Reflektor sein. Die Amplitude der hinter dem Analysator im Wellenleiter 12 geführten Wellen hängt von dem Grad der Anpassung beider Reflektoren 14, 13 ab. Wenn einer der beiden Reflektoren schnell angesteuert und durchgestimmt werden kann, ist die Anordnung ein Wellenleitermodulator.
In Figur 6 ist schließlich ein elektrooptisch steuerbarer Wellenleiterlaser dargestellt, für den beispielsweise wieder ein Flüssigkristall 6 als Superstrat über der periodischen DFB- oder DBR-Struktur 21 aufgetragen ist. Durch elektrooptische Abstimmung kann hier erreicht werden, daß der Laser zeitlich seine Modencharakteristik ändert oder Q-Switchverhalten zeigt
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oder ausgetastet werden kann. Mit 16 ist dabei ein Träger bezeichnet, mit 17, 18 ein Elektrodenpaar, mit 19 das Substrat für den Yfellenleiterlaser, mit 20 der Wellenleiterlaser selbst, mit 7 eine Deckplatte und durch die vier Doppelpfeile die Richtung des einfallenden Pumplichtes. .
5 Patentansprüche
6 Figuren
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Claims (4)

  1. Patentansprüche
    λ) Verfahren zum Durchstimmen schmalbandiger auf einem Substrat aufgebrachten Wellenleiterreflektoren, die periodische Störungen des Wellenleiters oder seiner unmittelbaren optisch wirksamen Umgebung aufweisen, dadurch gekennzeichnet , daß die Bragg-Bedingung der Reflexion durch Anpassung des effektiven Brechungsindex neff der wellenleitenden Schicht entweder durch Änderung der Dicke des Wellenleiters oder durch elektrooptische oder magnetooptische Änderung des Brechungsindex des Substrates oder eines Superstrates erfüllt wird.
  2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Substrat und einem darauf aufgebrachten Wellenleiterstreifen mit periodischer Störung, dadurch gekennzeichnet , daß der Wellenleiterstreifen eine sich kontinuierlich über die Breite des Streifens ändernde Dicke aufweist.
  3. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Substrat und einem Wellenleiter mit periodischen Störungen, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat aus elektrooptischem Material besteht, daß der Wellenleiter ein im Substrat angeordneter wellenleitender Kanal ist und daß parallel zu dem Kanal oder über, eine unter dem Kanal verlaufende Elektroden auf dem Substrat angeordnet sind.
  4. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Substrat und einem Wellenleiter mit periodischen Störungen, dadurch gekennzeichn e t , daß auf dem Wellenleiter ein Superstrat aus einem Flüssigkristall vorgesehen ist und daß die Flüssigkristallschicht zwischen Elektroden angeordnet ist.
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    Anordnung nach Ansprüchen 3 und 4, gekennzeichnet durch ein Substrat, einer ersten auf dem Substrat aufgebrachten Elektrode, einem darauf angeordneten Kristall aus elektrooptischem Material mit einem wellenleitenden Kanal und periodischen Störungen, einer darauf aufgebrachten Zwischenschicht mit einem parallel und beidseitig zum Kanal verlaufenden Elektrodenpaar, einer darauf aufgebrachten Flüssigkristallschicht, einer zweiten Elektrode und einer Deckplatte.
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