DE2804363C2 - Anordnung zur Lichtmodulation von über einen optischen Wellenleiter übertragenem Licht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist bekannt aus der US-PS 06 9&3. Diese Anordnung enthält einen auf einem Substrat aus Glas oder aus Kristallmaterial oder aus Halbleitermaterial angeordneten optischen Wellenleiter. Dieser hat in einem bestimmten Bereich eine periodische Gitterstruktur aus elektrooptischen Material, so daß es sich um einen modulierbaren oDtischen Wellen

leiterhandelt

Die Elektroden befinden sich auf beiden Seiten des optischen Wellenleiters, wobei jeweils noch eine dielektrische Schicht dazwischen liegt

Die Herstellung einer solchen integrierten optischen Anordnung erscheint nicht nur wegen der komplizierten Schichtenfolge schwierig, sondern insbesondere wegen innerhalb des optischen Wellenleiters zu produzierenden periodischen Gitterstruktur.

to Aus der DE-OS 25 27 939 ist eine über Elektroden angesteuerte optische Anordnung zum Modulieren von zu übertragendem Licht bekannt, bei der der das zu modulierende Licht von einer Lichtleitfaser direkt in einen Wellenleiter aus elektrooptischen) Material, also

i.< in ein Modulator-Bauelement eingekoppelt und aus diesem wieder in die weiterführende Lichtleitfaser gekoppelt wird Eine Verwendung zum Schalten von Licht ist dabei nicht erwähnt Aus »Optics Communications« VoL 13, Nr. 4, ApriL

1975, S. 418—421, ist eine über Elektroden angesteuerte Anordnung zum Modulieren von zu übertragendem Licht bekannt, bei der das zu modulierende Licht aus dem freien Raum mittels eines Prismas in ein elektrooptisches Modulator-Bauelement eingekoppelt und mit-

tels eines Prismas wieder ausgekoppelt wird. Eine Verwendung zum Schalten von Licht ist auch bei dieser Anordnung nicht e*~wähnt

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzuge-

ben, die einfacher herstellbar als die an erster Stelle genannte gattungsgleiche Anordnung ist

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es sei hier bemerkt, daß die Erfindung zwei Aspekte hai:

Einmal dient das Plättchen dazu, das sich in einem einzigen optischen Wellenleiter ausbreitende Licht zu modulieren. Andererseits kann es auch ^-azu verwendet wer- den, zwei optische Wellenleiter an ihren Enden miteinander zu verbinden. Versieht man das Verbindungsstück, d. h. das Plättchen, mit Elektroden, an die elektrische Signale anlegbar sind, so läßt sich das über dieses Verbindungsstück übertragene Licht auch noch modu-

Heren oder schalten.

Vergleicht man die erfindungsgemäße Lösung mit gattungsfremdem Stand der Technik, so ist folgendes festzustellen: Die Verwendung optischer Wellenleiter mit zuge spitzten Enden zur Einkopplung/Auskopplung in/aus andere(n) optische(n) Wellenleitern) oder andere(n) optische^) Bauteile(n) ist an sich bekannt

Eine aus der US-PS 40 06 964 bekannte integrierte optische Wellenleiter-Filter-Anordnung hat einen er sten optischen Wellenleiter mit zugespitztem Ende, der dafür sorgt, daß das zu filternde Licht unter einem definierten Einfallswinkel in ein darunter liegendes optisches Reflektor-Filter eintritt und einen zweiten optischen Wellenleiter mit zugespitztem Ende, der das unter einem definierten Winkel aus dem optischen Reflektor-Filter austretende Licht aufnimmt und weiterleitet.

Bei einer aus der US-PS 38 64 019 Anordnung zur optischen Ankopplung eines Dünnfilm-Wellenleiters über einen Hohlraum, an einen Faser-Wellenleiter hat der Dünnfilm-Wellenleiter einen zugespitzten Endbereich, der dafür sorgt, daß das Licht in einem geeigneten Winkel in das darunterliegende Substrat und von dort in den Faser-Wellenleiter eintritt. Ein elektroootisches

Modulator-Bauelement in Form eines Plättchens mit zugespitzten Enden ist aus keiner der beiden Schriften bekannt

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig.5 im Schnitt einen Modulator bzw. Schalter gemäß der Erfindung,

F i g. 2 im Grundriß una im Schnitt die Ankopplung der Lichtleitfaser an einen optischen Wellenleiter, der das zu modulierende licht weiterleitet,

F i g. 3 im Grundriß die Verwendung eines zugespitzten Wellenleiters zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an das Wechselwirkungsgebiet,

F i g. 4 im Schnitt und i.vi Grundriß eine Modulationsanordnung mit einem Beugungsmodulator,

F i g. 5 im Schnitt und im Grundriß eine Lichtschalt-Anordnung mit einem optischen Prismenmodulator und die

F i g. 6 und 7 eine Möglichkeit zur Trennung der die Modulationsanordnung verlassenden Lichtstrahlen.

Die hier beschriebenen Anordnungen sind zwischen massive optische Modulator-Schalter und vcUkommen monolithische Anordnungen einzureichen. Die Modulation erfolgt durch eine Wechselwirkung mit einem im Kristall elektrisch induzierten Phasengitter, welches das Licht beugt, wenn eine Spannung an eine Doppelkamm-Elektrodenstruktur angelegt wird. Diese Wechselwirkung mit dem Gitter kann auch zum Schalten verwendet werden, da die Lichtleistung durch die Wechselwirkung auf die verschiedenen Beugungsanordnungen aufgeteilt wird. Auch andere Wechselwirkungsgeometrien — z.B. prismenförmige Elektroden (Fig.5) — lassen sich verwenden, um den Lichtstrahl abzulenken, wenn eine Spannung angelegt wird. Dieses Verfahren ist interessanter, wenn die Funktion eines Schalters verlangt ist Es lassen sich auch andere physikalische Effekte als die elektrooptischen Effekte ausnützen. Ein allgemeines Problem besteht jedoch darin, in einem Material mit nützlichen physikalischen Eigenschaften einen optischen Wellenleiter zu bilden, besonders wenn Leiter großen Querschnitts mit großen Unterschieden im Brechungsindex (wie in Multimode-Fasersystemen) erforderlich sind. In diesem Falle können die Grenzen von Anlagerungs- und Diffusionsprozessen erreicht werden.

Bei Multimode-Fasersystemen, bei denen der typische Faserkerndurchmesser 20—50;jm betragen kann, ist eine andere Lösung möglich, da Wellenleiter dieser Dimension sich durch Abpolieren des Grundmaterials herstellen lassen. Bei einem Modulator oder Schalter, bei dem das Schalten dtirch irgend eine Art Beugung erfolgt, ist dies jedoch nicht möglich, da die erforderlichen Wellcnleiterstrukturen, die man aus dtm Grundmaterial herstellen müßte, sehr kompliziert wurden. Bei der vorliegenden Anordnung sind diese Funktionen (z. B. Einstellen der Breite und der Divergenz des Eingangsstrahls, Trennen der Ausgangsstrahlen, Einstellen der Ausgangsstrahlen hinsichtlich einer effektiven Ankopplung an eine Faser usw.) durch eine optische Struktur erreicht, die in einem Glassubstrat durch eine Ionenaustauschtechnik hergestellt ist. Die Modulation erfolgt durch Ankopplung an einen Wellenleiter aus aktivem Material, wobei dieser aktive Wellenleiter durch Läppen und Polieren eines Stückes auis dem Grundmaterial bis zur erforderlichen Dicke entstanden ist Der Brechungsindex des aktiven Materials sollte größer sein als der des durch Ionenaustausch hergestellten Wellenleiters. Dies ist jedoch in; allgemeinen der Fall (z. B. ist η = 2.18 bei Lithiumniobat LiNbOj). Andererseits muß der aktive Wellenleiter dick genug sein, um mindestens so viele Tiefenmoden wie der durch Ionenaustausch hergestellte Wellenleiter zu leiten. Falls die zugespitzten Enden des Plättchens mit großem Brechungsindex über sehr wenige Wellenlängen (d. h. einige mm) in ihrer Dicke von 0 bis zur vollen Dicke zunehmen, so geht die Energie, die sich in irgend einem besonderen Mode des Glas-Wellenleiters ausbreitet, weich in den entsprechenden Mode des Plättchens über.

ίο In F i g. 1 ist der optische Wellenleiter auf einer Oberfläche eines Substrats 2 angeordnet, das ebenfalls aus einem optisch durchlässigen Material besteht, dessen Brechungsindex kleiner als der des Wellenleiters 1 ist. Auf der Oberfläche des Wellenleiters befindet sich ein Plättchen 3 aus einem kristallinen Material wie z. B. LiNbOs, dessen Brechungsindex größer als der des Wellenleiters ist Die Enden des Plättchens 3 sind, wie gezeigt, zugespitzt, um den Eintritt des Lichts in das Plättchen und seinen Austritt zu ermöglichen. Als Folge davon nimmt das über den Wellenleiter 1 übertragene Licht den durch den Pfeil 5 geze.^ien Weg. Um das Licht zu modulieren, während es das Kriitallplättchen 3 durchläuft, werden an eine Elektrode oder eine Elektrodenstruktur, die schematisch mit 6 angedeutet isr, elektrische Signale angelegt

Falls, das Plättchen 3 dazu dient, ein Paar von Wellenleitern miteinander zu verbinden, so überdeckt es deren Enden, die jeweils zugespitzt sind, wobei die zugespitzten Enden des Plättchens auf Teilen des Wellenleiters, die die volle Dicke haben, aufliegen. In diesem Falle lassen sich die Funktionen des Koppeins und des Modulierens miteinander kombinieren.

Die Dicke des Wellenleiters 1 und des Plättchens 3 ist so gewählt, daß die Anordnung Muitimoden-Licht weiterleitet

Die Verwirklichung der Erfindung wird nun unter Bezugnahme der unterschiedlichen erwünschten Funktionen beschrieben, wobei für eine Reihe von Alternativen die folgenden Funktionen betrachtet werden:

a) eingangsseitige Kopplung

b) Strahlausrichtung

c) Modulieren/Schalten

d) Strahlentrennung

e) ausgangsseitige Kopplung.

Zur Ankopplung an eine Faser, eingangsseiti.fr oder ausgangsseitig, dient eine einfache Stumpfverbindung, wie aus Fig. 2 ersichtlich, wenn die Faser 8 wie dort gezeigt an den Wellenleiter 9 angekoppelt wird. Um einen guten Kopplungswirkungsgrad zu erhalten, ist es notwendig, auf eine gute Anpassung zwischen der BiL'-chungsindexverteilung der Faser und der des Wellenleiters zu achten. Dies wird erreicht durch die Verwendung von durch Ionenaustausch hergestellten Wellenleitern.

Beide hier vorgeschlagenen Anordnungen zur Modulation uno zum Schalten erfordern einen Eingangsstrahl mit kontrollierter Breite und Divergenz. Der Lichtübertritt von der Fase in diesen Strahl kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen. Die erste Möglichkeit (nicht gezeigt) besteht darin, ein System von Dünnschichtlinsen zu verwenden, die durch Ionenaustausch hergestellt sind. Dies bewirkt eine Strahlausrichtung in einer Weise, die der in der massiven Optik verwendeten entspricht.

Das zweite System verwendet einen zugespitzten Abschnitt eines Wellenleiters 9, der an einem Ende aus dem Wellenleiter 8 gespeist wird und das von dort erhaltene Licht auf eine diffuse Linse 10 weiterleitet, die das Licht

in einen parallelen Strahl bündelt

Eine andere Anwendung eines zugespitzten Wellenleiterabschnitts zum Zwecke der Strahlbündelung zeigt die Fig.3. Hier liegt die Faser 12 in einer Linie mit einem kurzen Wellenleiterabschnitt 13 mit parallelen Seiten, der mit einem zugespitzten Abschnitt 14 in Verbindung steht Das Licht breitet sich über die gezeigten Wege aus, so daß ein ausgerichteter, paralleler Strahl in den Wellenleiter 15 eintritt.

Die durch eine elektrooptische Wechselwirkung erfolgende Modulation wird entweder durch ein Phasengitter-Verfahren, das in Fig.4 gezeigt ist, oder durch ein einfaches elektrooptisches Prisma nach F i g. 5 realisiert. Im ersten Fall hat das Kristallplättchen an seiner außenliegenden Oberfläche in einer »Doppelkamm-An-Ordnung« (Fig.4) abwechselnd positiv und negativ gepolte Elektroden. Im zweiten Fall hat die außenliegende Oberfläche des Plättchens 3 zwei dreieckige Elektroden 22 uitd 22, dlC 3Π CntgCgCngCSCtZiC t OiC uCr τ CTSGi*- gungsspannungsquelle angeschlossen sind und zwischen denen die Modulationssignale angelegt werden. Die letztere Anordnung (F i g. 5) hat den Vorzug der Einfachheit und leichten Steuerbarkeit, erfordert jedoch eine höhere Steuerspannung. Die von diesen Anordnungen abgegebenen Ausgangsstrahlen sind breit, und die zwei oder mehr Schaltzustände sind nur durch einen kleinen Winkel voneinander getrennt Es enstehen daher Probleme beim Trennen dieser Ausgangsstrahlen in einem kleinen Substrat. Eine Lösung besteht darin, eine weitere Dünnschichtlinse zu verwenden, um die Fernfeldebene viel näher zu bringen. Der Lichtstrahl kann dann bereits hier getrennt werden, wie in F i g. 6 gezeigt, wo das Licht von einem Ablenkelement oder Gitter 22 über die Linse 23 auf den einen oder den anderen von zwei diffusen Lichtleitern gelangt, die jeweils einen Durchmesser in der Größenordnung von 50 μπι haben.

Eine andere Möglichkeit kann dann bestehen, daß ein passives Gitter, Fig. 7, verwendet wird,das durch eine weitere Diffusionsstufe im Wellenleiter als ein winkelempfindliches Filter gebildet wird. Die erforderliche »Winkelgüie« läßt sich durch große Gitterabstände bei nur kleiner Störung des Brechungsindex erreichen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 45

50 55

65

Claims (6)

Patentansprüche:

1. integrierte optische Anordnung zum Modulieren und/oder Schalten von zu übertragendem Licht, die über Elektroden angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht in einen nicht modulierbaren optischen Wellenleiter (1) eingekoppelt wird, der aus einem optisch durchlässigen Material besteht, das auf ein optisch durchlässiges Substrat (2) aufgebracht ist, dessen Brechungsindex kleiner als der des optischen Wellenleiters (1) ist, daß auf der Oberfläche dieses optischen Wellenleiters (1) ein elektrooptisch« Modulator-Bauelement in Form eines Plättchens (3) angeordnet ist, dessen Brechungsindex größer als der des optischen Wellenleiters (1) ist, daß dieses Plättchen (3) an jedem seiner Enden derart zugespitzte Bereiche hat, daß das Licht vom optischen Wellenleiter (1) an einem Ende des Plättchens (3) in dieses eintreten und an dessen anderem Ende in άεα optischen Wellenleiter übertreten kann, daß die Abmessungen des optischen Wellenleiters (5) und des Plättchens (3) die Voraussetzungen zur Multimoden-Lichtübertragung erfüllen und daß die Elektroden (6) sich auf der Außenfläche des Plättchens befinden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zugespitzten Enden des Plättchens auf jeweils einem Ende eines Paares zu koppelnder Wellenleiter aufliegen, die beide an ihren zu koppelnden Enden ebenfalls zugespitzt sind, wobei die beiden Enden des Plättchens jeweils einen Teil der beiden Wellenleiter überdecken, der die volle Dicke aufweist

3. Anordnung nach Anspn. Λ 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (3) aus Lithiumniobat besteht, das an dem Wellenleitermaterial mittels eines lichtdurchlässigen Klebstoffes befestigt ist, dessen Brechungsindex zwischen dem des Lithiumniobats und dem des Wellenleitermaterials liegt

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung des Lichts von einer Lichtleitfaser (8) in den optischen Wellenleiter (1) ein zugespitzter Abschnitt eines Wellenleiters 9 und eine eindiffundierte Linse (10) vorgesehen ist

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß zur Einkopplung des Lichts von einer Lichtleitfaser (8) eine Lichtleitfaser über ein in den optischen Wellenleiter (1) ein System aus Dünnschichtlinsen vorgesehen ist

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation mittels eines Phasengitter-Verfahrens oder mittels eines elektrooptischen Prismas erfolgt