DE2614140A1 - Optischer wellenleiter - Google Patents
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Description
26HU0
PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER
DIPL-IMG
H. KINKELDEY
DR-INQ
W. STOCKMAIR
K. SCHUMANN
P. H. JAKOB
DlPL-ING.
G. BEZOLD
8 MÜNCHEN 22
1. April 1976 P 10 281
COMMISSARIAT A L1ENERGIE ATOMIQUE
29, Rue de la Federation,
F-75752 Paris / Frankreich
F-75752 Paris / Frankreich
und
AGEEGE NATIONALE DE VALORISATION DE LA
RECHERCHE - ANYAR -
RECHERCHE - ANYAR -
13, Rue Madeleine Michelis,
F-92522 Neuilly - sur - Seine /Frankreich
"Optischer Wellenleiter"
Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter, der eine Phasengleichheit zwischen zwei Fortpflanzungsarten des
Lichtes im Leiter herstellt.
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen optischen
Leiter, der dazu dient, die Fortpflanzungsarten" von Wellen aus dem Wellenbereich des Lichtes zu leiten bzw. zu kanalisieren
und zu transformieren. Es ist bekannt, daß sich Licht in einem optischen Wellenleiter in sogenannten
"Leitungsmoden" in einer analog zur Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen im Hertz'sehen Wellenbereich im Inneren
der Wellenleitern mit metallischen Seitenwänden fortpflanzen kann.
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Die mit der Fortpflanzung und der Steuerung von Lichtbündeln,
die sich durch optische Wellenleiter, die allgemein durch dünne dielektrische Schichten gebildet sind, fortpflanzen,
zusammenhängenden Erscheinungeny sind gegenwärtig Gegenstand
beträchtlicher Forschungsbemühungen. Das Ziel dieser Forschungen ist die Verwendung derartiger Wellenleiter für
iiachrichtenverbindungen und die Informationsübertragung im optischen
Wellenbereich. Die Informationsübertragung im optischen Wellenbereich ist gegenüber der Informationsübertragung im
Hertz'sehen Wellenbereich vorteilhaft, da die weitaus höhere
Frequenz der optischen Schwingungen eine Modulation in einem Frequenzband um die Trägerfrequenz herum erlaubt, das etwa
1000 mal größer als im Hertz'sehen Wellenbereich ist. Durch
die Entwicklung des Lasers ist die Erzeugung von Lichtbündeln beträchtlich einfacher geworden, die geführt bzw. geleitet werden
können.
Die Erweiterung der Entwicklungen im optischen Bereich, die im HÖchstfrequenzbereich verwandt werden, erlaubt es die Lichtenergie
in Form von Leitungsarten durch eine entsprechende Einrichtung zu behandeln und zu handhaben, die Wellenleiter
genannt wird. Der einfachste Wellenleiter gewährleistet eine Beschränkung des Lichtes längs einer einzigen Dimension.
Ein derartiger Wellenleiter besteht im allgemeinen aus einer transparenten Schicht C^ mit dem Brechungsindex n^ mit einer
Stärke in der Größenordnung einiger Ai, die auf einem vorzugsweise
gleichfalls transparenten Substrat mit dem Brechungsindex np liegt, wobei n«
< n-j ist. Das Medium mit dem kleineren
Brechungsindex als die transparente Schicht Cj dient als
!Trägermaterial. Bei einem infolge der Zerbrechlichkeit der Schicht C1 kaum ausführbaren iufbau kann diese Schicht fehlen
oder kann als Schicht mit dem Brechungsindex u^ in diesem Fall
nur die Umgebungsluft verwandt werden, deren Brechungsindex
np = 1 und somit < n* ist.
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Auch, das Medium über der Schicht (L muß einen Brechungsindex
n~ haben, der kleiner als der Brechungsindez n. der
Schicht C1 ist. Dieses Medium kann ganz einfach die Luft
sein, es kann ^adocii gleichermaßen eine dielektrische, vorzugsweise
transparente Schicht verwandt werden, um dem durch die Schicht Oj gebildeten Wellenleiter eine höhere mechanische
Pestigkeit und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen zu geben.
Der höhere Brechungsindex der Schicht C1 bewirkt, daß die
sich durch diese Schicht fortpflanzenden Wellen an den oberen und unteren Grenzflächen der Schicht total reflektiert v/erden
und somit zusammengehalten und geführt sind.
Eine genaue Beschreibung der !Fortpflanzung dieser Wellen in
den dielektrischen Schichten ist aus "Guided Wave Optics", Proceedings of the I.E.E.E., Band 62, Nr. 8 zu entnehmen.
Alle Angaben bezüglich dieser Portpflanzungsarten können mit Hilfe dieses Aufsatzes erklärt werden, der einen !eil der vorliegenden
Beschreibung bildet.
Die beiden Gruna-lortpflanzungsarten bzw. Grund-Moden in
diesen Wellenleitern sind die transversal-elektrische, d.h. die Η-Welle (TE) und die transversal-magnetische, d.h. die E-Welle
(TM). Das sind die beiden möglichen Polarisationszustände der Welle, nämlich die zueinander senkrechten Polarisationen.
Im folgenden wird zur Vereinfachung der Rechnungen der Fall eines Wellenleiters mit in einer Richtung, -"beispielsweise
der Y-Richtung, unendlicher Ausdehnung behandelt. Die Erfindung umfaßt jedoch Wellenleiter mit begrenzten Abmessungen
und einem beispielsweise rechtwinkligen oder kreisförmigen Querschnitt, bei denen die Berechnungen komplizierter,
jedoch der gleichen Art sind.
Bei den beiden transversalen Wellenarten, der elektrischen und der magnetischen Welle, die sich in einem Wellenleiter
fortpflanzen, ist es oft notwendig, eine Wellenart anzuregen
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und die in einer Wellenart enthaltene Energie auf die andere Wellenart zu übertragen. Das ist für Probleme der Umtauschbarkeit
und der Verwendung der beiden Wellenarten am Ausgang des Wellenleiters erforderlich, um beispielsweise echte integrierte
optische Schaltkreise zu verwirklichen.
Pur den Energieaustausch zwischen beiden Wellenarten, die
sich durch den Wellenleiter fortpflanzen, nämlich der E- und der Η-Welle, sind bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen
worden. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, für eine Phasengleichheit
zwischen beiden Wellen über die gesamte Länge des Wellenleiters zu sorgen, wo sie die Energie austauschen sollen·
Eine bekannte Lösung zur Verwirklichung einer Phasengleichheit besteht darin, die Störung, die die Energieübertragung
bewirkt, periodisch zu modulieren. Dieses Verfahren ist insbesondere dazu verwandt worden, integrierte elektro-optische
und magneto-optische Modulatoren herzustellen. Mf die
Schicht Ο., werden is Pail eines elektro-optischen Modulators
kammförmige, und im Pail eines magneto-optischen Modulators
serpentinenförmige Elektroden aufgebracht, durch die man einen
Strom zirkulieren läßt, der die notwendigen Felder erzeugt.
Bei dieser Art der Modulation ist eine HiI fs steuereinrichtung
erforderlich, die die Ausführung kompliziert. Dieser Uaehteil bekommt eine größere Bedeutung im Pail der Verwirklichung komplexer
Einrichtungen, beispielsweise nicht umkehrbarer Einrichtungen.
Bei einem zweiten bekannten Verfahren wird ein Material mit zweckmäßig orientierter dielektrischer Anisotropie verwandt,
das auf eine Schicht G^ aufgebracht wird, die den Wellenleiter
bildet. Infolge der Reflektion der E- und H-WeIlen an der
Grenzfläche zwischen der Schicht O^ und dem oberen Medium ver-
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zögert die obere dielektrisch, anisotrope Schicht die E-Welle
bezüglich der Η-Welle. Dank dieser oberen Schicht v/erden gleiche Fortpflanzungsgeschwindigkeiten und eine Gleichheit
der Phasen ersielt. Dieses Verfahren ist jedoch, schwer durchzuführen,
da die Ausbildung der dielektrisch anisotropen Schicht sehr problematisch ist. Diese Schicht sollte zur Begrenzung
der Verluste von einer außerordentlich guten optischen Qualität und einkristallin mit einer sehr genauen kristallinen
Orientierung sein. Darüberhinaus sollte diese obere Schicht vom Wellenleiter (L um weniger als 1000 2. getrennt und
äußerst genau geprüft sein.
Indessen ist eine derartige Vorrichtung, d.h. ein Wellenleiter, bei dem eine Phasengleichheit zwischen der E- und der H-Welle
erhalten wird, praktisch unentbehrlich, wenn komplexe integrierte Schaltungen der Optik, beispielsweise nicht umkehrbare
Netzwerke, wie Isolatoren, Zirkulatoren usw. verwirklieht
werden sollen.
Das· Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Wellenleiter,
der eine Phasengleichheit zwischen den beiden Fortpflanaungsarten
des Lichtes,d.h. der E-*- und der Η-Welle, im
optischen Wellenleiter mit einem ausgezeichneten Wirkungsgrad bewirkt. Der erfindungsgemäße Wellenleiter ermöglicht die Verwirklichung
eines Aufbaus von der Art, bei der sich die beiden Wellenarten mit der gleichen Geschwindigkeit im Wellenleiter
fortpflanzen und eine Phasengleichheit an jeder Stelle verwirklicht
ist, ohne daß irgendeine äußere Versorgung für die Phasengleichheit erforderlich ist und ohne daß sich die bezüglich
der bekannten Verfahren oben genannten Schwierigkeiten bei der Verwirklichung zeigen.
Dazu ist erfindungsgemäß der optische Wellenleiter der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste
Schicht, die aus einem transparenten Material mit dem opti-
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sehen Brechungsindex η. besteht und eine Stärke e.. hat,
eine zweite Schicht, die aus einem dielektrischen Material mit dem optischen Brechungsindex ri besteht, wobei
ng < n.. ist und die an die erste Schicht angrenzend vorgesehen
ist und eine Stärke e2 hat, und einen Überzug mit
optischen Eigenschaften in der Art der Metalle aufweist, der auf derjenigen Oberfläche der zweiten Schicht aufgebracht ist,
die der gemeinsamen ebenen Flächen der beiden Schichten gegenüber liegt, und daß die Werte der Parameter n^, e^, e~ derart
gewählt sind, daß für beide transversalen optischen Wellen arten TE und TM, nämlich die E- und der Η-Welle, die sich im
Wellenleiter fortpflanzen, der im wesentlichen durch die erste Schicht gebildet wird, an jeder Stelle längs der Portpflanzungsrichtung
der beiden Wellenarten im wesentlichen Phasengleichheit besteht.
Bei dem erfindungsgemäßen Wellenleiter ist somit einer Schicht C1, in der sich die E- und die H-WeHe fortpflanzen, eine zusätzliche
dielektrische Schicht C2 hinzugefügt, die auf die
erste Schicht CL aufgetragen ist und eine derartige Stärke hat, daß sich für die E- und H-WeHe eine Phasengleichheit
über^die gesamte Iiänge in Itortpflanzungsrichtung der beiden
Wellen in der Schicht C. ergibt. Diese zusätzliche Schicht C«
trägt einen metallischen, vorzugsweise reflektierenden Überzug auf derjenigen Oberfläche, die mit der Schicht C^ nicht in Berührung
steht. Wie es sich im folgenden ergeben wird, ist die Stärke dieser Schicht C2 unter Berücksichtigung der" verschiedenen
Parameter des Wellenleiters, wie der optischen Brechungsindizes der verschiedenen Schichten C. und C2 und gegebenenfalls
der dielektrischen Schicht C, derart bestimmt, daß diese
Phasengleichheit erzielt wird.
Der erfindungsgemäße Wellenleiter, der eine Phasengleichheit zwischen den beiden Wellenarten verwirklicht, kann vorteilhaft
in Verbindung mit Einrichtungen verwandt werden, die die
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— 7 — '
Ε-Welle und Η-Welle (TE und TM) derart miteinander koppeln, da£
die Energie von einer Wellenart auf die andere übertragen wird.
Die Kopplung zwischen beiden Wellenarten kann insbesondere durch ein magnetisches odsr ein elektrisches ITeId erreicht
werden.
Im folgenden v/erden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Pigur 1 zeigt schematisch das Grundprinzip des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiters.
Pigur 2 zeigt schematisch das Grundprinzip eines optischen Umschalters, bei dem zur Kopplung der E- und H-Welle
Magnetisierungen ausgenutzt v/erden und bei dem die Phasengleichheit zwischen den beiden Wellen, die die
Energie austauschen, verwirklicht werden kann.
Pigur 3 zeigt verschiedene Kurven, die es erlauben, für Materialien
mit gegebenem Brechungsindex die Stärken e^ und e2 der Schichten C. und C2 zu bestimmen, bei
denen der Phasenunterschied herabgesetzt ist.
Pigur 4 zeigt schematisch das Prinzip eines Wellenleiters,
der einen Energieaustausch zwischen beiden Wellenarten bewirkt, wobei die Kopplung durch eine Polarisation
einer zweiten Art erreicht wird.
Pigur 5 zeigt schematisch das Prinzip eines Wellenleiters, der einen Energieaustausch zwischen beiden Wellenarten
bewirkt, wobei die Kopplung durch eine Polarisation einer ersten Art erreicht wird und die Phasengleichheit
über die gesamte Länge der Energieübertragung besteht.
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Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Wellenleiters umfaßt eine Schicht C,, die aus
einem Material (j) mit dem Brechungsindex n>
besteht und in Sandwich-Bauweise zwischen zwei Schichten C2 und C, liegt,
die aus Materialien Q) und (J) mit den Brechungsindizes n2 und
213 jeweils bestehen. Die Schicht C2 ist an ihrer Oberfläche
2 mit einem metallischen Überzug überzogen.. Im Inneren der Schicht C, pflanzen sich zwei Arten von Wellen fort. Diese
beiden Wellenarten sind die Η-Welle, die aus einer magnetischen Peldkoinponente in der Zeichenebene und einer elektrischen
Peldkomponente senkrecht dazu besteht, und die E-Welle,
die aus einer elektrischen Peldkomponente in der Zeichenebene und einer dazu senkrechten magnetischen Peldkomponente besteht
.
Wie bereits erwähnt, "werden zwar die Wellenleiter in y-Richtung
als unendlich ausgedehnt angesehen, die gleiche Darstellung läßt sich aber auch auf Wellenleiter anwenden, deren
Abmessung in dieser Richtung begrenzt ist. Die Berechnungen werden lediglich komplizierter. Bei dem in Betracht stehenden
Aufbau des Wellenleiters resultiert eine spezielle IOrtpflanzungsart
aus der Überlagerung von zwei ebenen Wellen, die den aufeinanderfolgenden lotalreflektionen an den oberen
und unteren Grenzflächen der Schicht C1 entsprechen, die den
Leiter bildet. Die Schicht C, dient.als Irägermaterial, kann
jedoch auch ebenso gut fehlen. Die Brechungsindizes ng und
n~ sind kleiner als der Brechungsindex n.. ·
Im folgenden werden die beiden Wellenarten durch die zugehörige elektrische Peldkomponente, d.h. für die H-Welle(TE-Mode)
a(z, t) = A @xp £i (tot - BJz)J,
und für die Ε-Welle (TM-Mode)
und für die Ε-Welle (TM-Mode)
b(s, t) = B exp /i (wt- B^z)/
dargestellt.
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Dabei sind A und entsprechend B beliebige Konstanten, die vom Erregungsniveau der Wellen abhängen» und sind ß„ und ßK
in ihren Phasenverschiebungen verschieden, die für beide Wellenarten unterschiedlich sind und durch die Reflexionen
an den G-renzflachen 1.2 und 1.3 hervorgerufen v/erden.
Wird die Art und Weise, in der die Fortpflanzung der Wellen
in 'der Schicht C. erfolgt, beispielsweise mittels eines elektrischen
Feldes, eines magnetischen Feldes, einer Ultraschallwelle oder durch eine mechanische Deformation gestört, so
wird ein Energieaustausch zwischen den Η-Wellen, a(z,t)jund
den B-Wellen, b(z,t)shervorgerufen.
Die .Amplituden A und B sind dann nicht mehr unabhängig voneinander
und erfüllen in ihrem Verlauf die folgende Gesetzmäßigkeit :
= Kab B
§§ = E53 A exp (+ i Δ ζ)
Diese Formulierung ist für einen großen Maßstab bezüglich der Wellenlänge der betreffenden Wellenarten gültig, was im
allgemeinen der Fall ist.
Die Kopplungskoeffizienten K^ und Kba hängen von dem physikalischen
Effekt ab, der zur Verwirklichung der Kopplung ausgenutzt v/ird. Dieser Effekt wird im folgenden als Störung
bezeichnet. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen hängt von ß , ßb und der räumlichen Änderung der Störung
ab. Wenn die Materialien ©, @ und Q), die den Leiter bilden,
isotrop sind, und die Störung unabhängig von-ζ ist, reduziert sich die Phasenverschiebung Λ auf:
Δ = ßa - ßb Φ ο
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- ίο -
Daraus ergibt sich, daß die Kopplung nur beim Resonanzaustaüsch
gut ist, was eine kumulative Kopplung zur Polge hat,
wenn eine Phasengleichheit zwischen beiden ¥ellen hergestellt
ist j d.h. wean A = 0,. In dieses Pail wird dia Snergie
einer Welle kontinuierlich auf die andere ¥elle übertragen.
Tor einer genauen Berechnung der Stärke e2 der Schicht C2,
die auf die Schicht C^ aufgebracht wird, wird im folgenden
zunächst gezeigt, warum die Phasengleichheit dadurch erreicht v/erden kann, daß die dielektrische Schicht Cp zusätzlich vorgesehen
wird.
Ohne die auf der Schicht C2 aufgebrachte Metallschicht
ist die Phasenverschiebung zwischen der E-¥elle und der H-Welle
immer positiv, d.h. erhält man:
3) > ο
Φ j ist dabei die Phasenverschiebung der ¥elle I bei einer
Reflektion an der Grenzfläche, die die Medien 1 und m trennt.
Aus der vorhergehenden Ungleichung wird dann:
ßb - ßa
> 0
\Ieini das Metall direkt auf den leiter aufgebracht ist, wird
der Phasen unterschied infolge der Reflektion der H~¥elle zwischen
den Medien 1 und 2 zu TT und der Phasenunterschied,der
durch die Reflektion der E-¥elle zwischen beiden Medien 1 und 2 hervorgerufen wird, zu 0. Der Phasenunterschied zwischen der
E~¥elle und der H-¥elle wird negativ:
was zu ßfe — ßa
< 0 führt.
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Wenn das Metall durch eine dielektrische Zwischenschicht der Stärke e2 Yom leiter getrennt ist, ist es allerdings
möglich, einen Wert für diese Stärke e2 zu finden, bei dem
die Phasengleichheit ß = ß, erreicht wird.
Eine genaue -Anwendung der Maxwellf sehen Gleichungen in Verbindung
mit den Grenzbedingungen ermöglicht die Berechnung der Phasenverschiebung zwischen der E- und der Η-Welle infolge
der Reflexionen:
Φ23>Ε - (Φ21
Φ23>Η
Ar ctg
Ar ctg
th ( N - η: e
+ Arctg
-N
Dabei ist E =
sinus θ , ν; ob ei Θ der Brechungswinkel
der Wellen in der Schicht C, ist. Da. alle anderen Parameter
bekannt sind, kann die obige Gleichung numerisch aufgelöst werden, um den Wert von e2 zu bestimmen, bei dem der Phasenunterschied
zwischen den beiden Wellen gleich UuIl ist. Dieses Verfahren ist manchmal sehr langwierig und mühsam. Wenn
bekannt ist, daß eine Lösung existiert, kann auch empirisch vorgegangen werden und kann der optimale Wert von e2 durch
aufeinanderfolgende Versuche bestimmt werden. Ein anderes Verfahren der Bestimmung äer optimalen Parameter soll später
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beschrieben werden.
Die auf der Schicht C2 aufgebrachte Metallschicht ist
vorzugsweise reflektierend, um die Absorption der Lichtwellen zu vermindern.
In Pigur 2 ist ein .Anwendungsbeispiel der Erfindung bei der
Verwirklichung eines magneto-optischen Schalters dargestellt·
Der in Pigur 2 dargestellte Wellenleiter weist eine Schicht CL mit einem Brechungsindex n^, eine Schicht C, mit einem
Brechungsindex n^ und über eine Länge L.. eine Schicht C2 mit
einem Brechungsindex ng-auf· Die Oberfläche 2 dieser Schicht
ist derart metallisiert, daß sich ein Metallspiegel ergibt. Die Stärke e2 dieser Schicht ist aus den oben genannten Gleichungen
berechnet worden, die dazu angegeben sind, eine Phasengleichheit zwischen der E- und der Η-Welle zu verwirklichen,
die sich durch die Schicht C, fortpflanzen. Das Material der
Schicht Cj ist darüberhinaus ein Material, das in der in der .
Pigur mit M bezeichneten Richtung magnetisierbar ist. Es kann auch ein nicht magnetisierbares Material verwandt werden, und
nur eine Peldkomponente B im Inneren der Schicht C. erzeugt v/erden.
In diesem Pail wird entweder die Länge des Wellenleiters grosser
oder wird der in dem Solenoid 10 fließende Strom I sehr
viel größer. . Der Solenoid 10 orientiert die Magnetisierung M im Material .in ζ-Richtung aufgrund des Stromes I, der von
einer Stromquelle 12 geliefert wird, die mit dem Solenoid
verbunden ist. Das Grundprinzip eines solchen Schalters besteht darin, den gyrotropen Effekt auszunutzen, der durch
eine- entsprechende Magnetisierung des Materials hervorgerufen
wird, um die Η-Welle in eine Ε-Welle und umgekehrt, je nachdem
umzuwandeln, \iewi die Magnetisierung M gleich 0 ist oder keine
Komponente in Z-Richtung (Magnetisierung in Richtung M*) hat, ist die Kopplung zwischen der E- und der Η-Welle sehr schwach.
Die eintretende Welle, beispielsweise die Η-Welle, verläßt die Pläche der Schicht G^ ohne Änderung. Bei einer Magnetisierung
in Z-Richtung (Magnetisierung M) ist die Umwandlung
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2614H0
bedeutend und kann im Extremfall,d.h.. bei einer Phasengleich—
heit zwischen der E- und der Η-Welle über die gesamte Länge der Strecke L 100 fi erreichen. Die H-Welle wird somit zu
einer Ε-Welle, die die Fläche der Schicht G.. unter einem V/in— kel Θ ' verläßt. Der austretende lichtstrahl 14 "wird somit
von der Winkellage Θ zur Winkellage Θ» umgeschaltet, wenn die Magnetisierung in die Z-Achse umgeschaltet wird.
einer Ε-Welle, die die Fläche der Schicht G.. unter einem V/in— kel Θ ' verläßt. Der austretende lichtstrahl 14 "wird somit
von der Winkellage Θ zur Winkellage Θ» umgeschaltet, wenn die Magnetisierung in die Z-Achse umgeschaltet wird.
Im Falle eines magnetischen Materials, beispielsweise eines ferro- oder ferrimagnetischen Materials, kann es vorteilhaft
sein, einen Permanentmagneten zu verwenden, der mit 16 bezeichnet
ist, um eine remanente Magnetisierung M1 längs der y-Achse
zu erhalten, wenn beide Wellen nicht gekoppelt werden sollen. Um erforderlichenfalls die Magnetisierung in die ζ-Achse umzuschalten,
wird der Unterbrecher 18 der Stromversorgung des Solenoides 10 betätigt.
Die maximale Umwandlung der H-WeHe in eine Ξ-Welle wird bei
einer Wechselwirkungsstrecke 1 gleich:
L =
erhalten, wobei ΘΨ die Faraday'sehe Drehung pro längeneinheit
ist·. Die Schicht C, besteht beispielsweise aus magnetooptischem
G-ranat mit einer Zusammensetzung (GdY).,(FeGa),- O^
mit einem Brechungsindex von 2,135 bis 1,152 und sie befindet sich auf einem Substrat CU der Zusammensetzung Gd~ Ga,- O^ g
mit einem Brechungsindex von 1,945. Die Schicht C2 besteht aus
Kieselerde mit einem Brechungsindex von 1,456. Die Faraday»sehe
Drehung für das Material, aus dem die Schicht Cj besteht, beträgt
140° pro'cm. Die Phasenverschiebung, die für eine gute
Ausbeute von über 90 fo hingenommen werden kann, entspricht
einer Änderung des äquivalenten Index H-:
Δ IT < 3x10~5
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26HH0
-H-
In Pigur 3 sind verschiedene Kurven dargestellt, die bei Materialien
nit gegebenem Brechungsindex das Auffinden von Werten für die Stärken e. und a 2 der Schichten G. und G2
ermöglichen, bei denen der Phasenunterschied bei einer bestimmten Wellenlänge auf ein Minimum reduziert ist. Die in
Pigur 3 dargestellten Kurven entsprechen einer Wellenlänge von 1,152/U. Die Brechungsindizes der drei Schichten sind
jeweils il, = 2,135, n2 = 1,456 und n- = 1,945. Die Kurve
gibt den Terlauf des Wertes E, d.h. den äquivalenten oder effektiven Brechungsindez bezüglich des Wellenleiters in
Abhängigkeit von dem berechneten Wert e2 -g^g für die Portpflanzungsart
O der Welle in der Schicht CT wieder.
Relative Änderungen der Stärke der Kieselerdeschieht von
4 fo sind realisierbar. IJm schließlich einen Wert Δΐ<3 χ 1
mit ^e2 ~ 4 2: 10 zu erhalten, muß das Verhältnis eQ
—e~" —3
unter 2 0,8 χ 10 liegen. Anhand der der Portplanzungsart
0 entsprechenden Kurve 20 ist ersichtlich, daß bei einem Wert von F>2,12 die vorhergehende Ungleichung erfüllt
ist.
Die Kurve 22 gibt dieselben Werte für die Portpflanzungsart 1 wieder.
Es versteht sich von selbst, daß zum Koppeln der E- und H-Wellen Portpflanzungsarten mit demselben Index, beispielsweise
die Portpflanzungsarten 0 gewählt v/erden. Während als äquivalenter Index Ή, der auf der Ordinate in Pigur 3 aufgetragen
ist, der zu erreichende äquivalente Index genommen wird, v/erden die Eurve 24 für die Portpflanzungsart O, die Eurve
für die Portpflanzungsart 1 und die Kurve 28 für die Portpflanzungsart 2 herangezogen. Diese Kurven zeigen den Verlauf dieses
äquivalenten Index IT als Punktion der Stärke e.. der
Schicht Cj. Ss ist ersichtlich, daß eine Stärke e<j gleich etwa
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26UH0
2,1 /U gewählt werden muß, um bei der Portpflanzungsart 0
einen Wert N = 2,12 zu erhalten. Um denselben äquivalenten
Index H zu erhalten, wird in gleicher Weise die Stärke eg
der Schicht Gg dank der Kurve 30 gewählt, die, wie immer
auch die Portpflanzungsart ist, den Verlauf des äquivalenten Index ET als Punktion der Stärke eg der Schicht Cg zeigt. Gemäß
dieser Kurve 30 entspricht dem Wert IT = 2,12 eine Stärke
eg der Kieselerdeschicht von 735 ÜL Als Ergebnis wird e^ =
2,1 /U, eo = 735 S. + 30 % und ein Phasenunterschied Λ unter
3 x 10 ^ erhalten, der ausreicht, um einen Modulationswirkungsgrad
von über 90 fo zu garantieren.
In Pigur 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Umschalters dargestellt, der mit Hilfe eines elektro-optischen
Materials aufgebaut ist, das die Schicht CL bildet. Die Portpflanzungsrichtung der Wellen ist durch den Pfeil 31
angezeigt. Die Schicht C. ist über die Länge Lg von einer
Schicht Cp mit dem Brechungsindex ng überzogen. Die Stärken
e.j und e2 dieser verschiedenen Schichten C. und C2 wurden in
der oben beschriebenen Weise ermittelt. Um die Kopplung zu unterstützen und zu fördern, wird der elektro-optische Effekt
ausgenutzt, der durch ein PeId E6x^ hervorgerufen wird, wie
es in der Pigur dargestellt ist^ und das über zwei Elektroden
42 und 44 erhalten wird, die die Schichten C«j, Cg und C, umschließen.
Unter dem Einfluß dieses äußeren Peldes wird das die Schicht C^ bildende elektro-optische Material, beispielsweise
KDP, doppelbrechend. Seine optischen Achsen können zweckmäßig in der Ebene xy orientiert werden und die Länge Lg und
das äußere angelegte PeId können in Abhängigkeit von den physikalischen
Eigenschaften des elektro-optischen Materials zweckmäßig gewählt v/erden, damit ein Teil des Leiters mit der
Länge Lg als Λ/2-Plättchen wirkt, das für eine
Drehung der Polarisation um 90° sorgt, d.h. die Η-Welle, in eine Ε-Welle umwandelt. Pur einen guten Wirkungsgrad bei der
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26HU0
.Art der leitung ist es erforderlich, daß die Phasengleichlieit
über die gesamte Fortpflanzungs strecke hergestellt wird.
Das ist der G-rund, warum erfindungsgemäß der Schicht C. die
Schicht G2 hinzugefügt ist. Die Spsnnungsquelle ist scheniatisch
bei 32 dargestellt. Je nach Wunsch kann die Umschaltung
der Spannung dadurch bewirkt werden, daß der Unterbrecher 33 geöffnet oder geschlossen wird. Die Spannung liegt zwischen
den Elektroden 42 und 44.
In Figur 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines elektrooptischen
Umschalters dargestellt, bei dem ein longitudinales elektrisches PeId E verwandt wird, das mittels der beiden
Elektroden 37 und 39 erhalten wird und eine Feldkomponente E liefert, die in Figur 5 dargestellt ist. Über einen zwisehengeschalteten
Umschalter 35 liefert eine Batterie 34 den plattenförmigen Elektroden 37 und 39 eine Spannung. Dank des elektro-optischen
Effektes kann bei dieser Orientierung der Feld— komponente E . jederzeit erreicht werden, daß ein Seil des
Leiters über eine länge I^ als ^/2-Plättehen wirkt,
das eine elektrische Welle in eine magnetische durch die Drehung der Polarisationsebene um 90° umwandelt.
Jedes der angegebenen Ausfüiirungsbeispiele betrifft leiter
mit ebenen Oberflächen. Es versteht sich jedoch, daß leiter mit gekrümmten Oberflächen, die mit- den Merkmalen der Erfindung
übereinstimmen, durch diese mitumfaßt werden.
Außerdem wurde in der gesamten Beschreibung bisher angegeben, daß die auf der Schicht Cp aufgebrachte Schicht eine metallische
Schicht ist. Selbstverständlich sind es die optischen Eigenschaften dieser Schicht, die erfindungsgemäß ausgenutzt
werden, so daß alle diejenigen Materialien, die optische Eigenschaften
in Art der Metalle zeigen, beispielsweise gewisse Halbleiter im Rahmen der Erfindung gegebenenfalls verwandt werden
können.
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Claims (11)
- 26HU0Patentansprüche("Λ.) Optischer Wellenleiter zur Herstellung einer Phasengleichheit zwischen zwei Fortpflanzungsarten des Lichtes im Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste Schicht (C^), die aus einem transparenten Material mit dem optischen Brechungsindex H1 besteht und eine Stärke e.. hat, eine zweite Schicht (C2), die aus einem dielektrischen Material mit dem optischen Brechungsindex n2 besteht, wobei n2 < n. ist und die an die erste Schicht angrenzend vorgesehen ist und eine Stärke e2 hat, und einen Überzug mit optischen Eigenschaften in der .Art der Metalle aufweist, der auf derjenigen Oberfläche der Schicht (C2) aufgebracht ist, die sich der beiden Schichten (C1 und C2) gemeinsamen ebenen Fläche gegenüber befindet, und daß die Vierte der Parameter U1, e^j, n2, e2 derart gewählt sind, daß für beide transversalen optischen Wellenarten, nämlich die E- und der Η-Welle (TE- und TM-Mode), die sich im Wellenleiter fortpflanzen, den hauptsächlich die Schicht C^ ausmacht, an jeder Stelle längs der Fortpflanzungsrichtung der beiden Wellenarten im wesentlichen Phasengleichheit besteht.
- 2. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich eine dritte Schicht (C^) angrenzend an die Schicht (C-, ) aufweist, deren Brechungsindex n^ kleiner als der Brechungsindex η-, ist, wobei die Schicht (C1) in Sandwich-Bauweise zwischen den Schichten -(C2 und Ο,) liegt.
- 3. Optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (C1) eine Schicht aus einem magnetischen Material ist.
- 4. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich mit einer Einrichtung versehen ist, die auf Befehl ein magnetisches Feld erzeugt, das im wesent-609843/077626UU0lichen parallel zu den Oberflächen der Schiebt (C1 ) verläuft und parallel zur gemeinsamen Fortpflansungsrichtung der beiden Wellenarten gerichtet ist.
- 5. Optischer Wellenleiter nach .Anspruch 3, dadur-sh gekennzeichnet, daß er zusätzlich eine Einrichtung sum Umschalten eines magnetischen Feldes zwischen zwei z-ueinander „senkrechten und zu den Oberflächen der Schiebt (O, ) parallelen Richtungen aufweist, von denen eine Richtung parallel zur Portpflanzungsrichtung der beiden Wellenarten und die andere dazu senkrecht verläuft.
- 6. Optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüclie 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (C, ) aus einem durch ein elektrisches EeId polarisierbaren Material besteht.
- 7. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich eine elektrische Einrichtung aufweist, die auf einen Befehl von außen ein elektrisches PeId erzeugt, das parallel zu zv/ei ebenen Pläohen der Schicht (Cj) und zu der der B-Welle und der B-Welle gemeinsamen Portpflanzungsrichtung verläuft.
- 8. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich eine elektrische Einrichtung aufweist, die auf einen Befehl von außen ein elektrisches PeId erzeugt, das senkrecht zu der der Ε-Welle und der Η-Welle gemeinsamen Portpflanzungsrichtung verläuft.
- 9· Optischer Wellenleiter, gekennzeichnet durch eine Schicht (G1) mit einem optischen Brechungsindex xlj , die zwischen zwei Medien mit optischen Brechungsindizes Hegt, die kleiner als ILj sind, wobei diese Schicht (C1) aus? einem magnetischen Material gebildet ist, durch eine Schicht (C2) mit einer Stärke eg und einem optischen Brechungsindex n2,6098^3/077626HU0wobei n^ < n^ ist, die aus einem dielektrischen Material besteht und über eine Länge L die Schicht (G^) überdeckt, wobei eine Oberfläche der Schicht (G«) an die Schicht (Cj) angrenzt und die andere von einem reflektierenden metallischen Überzug überzogen ist, und durch eine Einrichtung zum Umschalten eines magnetischen Peldes im Inneren der Schicht (CL), wobei die Länge L •im wesentlichen gleich ^~- ist, wenn 0? die Faraday'sehe Drehung pro Längeneinheit des die Schicht (C. ) bildenden Materials bezeichnet.
- 10. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (G^) aus magneto-optischem Granat besteht.
- 11. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (Cp) aus Kieselerde besteht.6098 4-3/0776Leerseite
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Also Published As
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