DE2843763C2

DE2843763C2 - Optischer Schalter und/oder -Modulator

Info

Publication number: DE2843763C2
Application number: DE2843763A
Authority: DE
Inventors: Enrique Alfredo Jose Rumson N.J. Marcatili
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-10-11
Filing date: 1978-10-06
Publication date: 1984-12-06
Also published as: GB2007384B; CA1107380A; FR2406219A1; DE2843763A1; JPS5465050A; GB2007384A; NL190458B; JPS6220532B2; NL190458C; FR2406219B1; US4157860A; NL7810211A

Description

Fig.4 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen optischen Modulatorschalters nebst Stcucrsignalcrzcugungsschaltung,

Fig.5 den phänomenologischen Brcchungsindexcllipsoid-Querschnitt zur Erläuterung des Zusammenwirkens der Koeffizienten rjj und r«, die bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung benutzt werden,

F i g. 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der eine andere, lateralasymmetrische Elektrodenstruktur für ein Schalten beider Polarisationen und ein optisches ±4<?-Schalten verwendet wird, und

F i g. 7 eine erfindungsgemäße Ausführungsform ähnlich der in F i g. 4. Bei dem bekannten, in integrierter Optik aufgebauten elektrooptischen Modulator und Schalter nach F i g. 1

sind in ein Lithiumniobatsubstrat 1 durch Titandiffusion zwei Einzelmodenwcllenlciter 2 und 3 für eine Lichtleitung gebildet. Die Wellenleiter besitzen parallel zueinander und ausreichend dicht (im Bereich von Mikrometern) beieinander verlaufende Teile, um eine Richtungskopplung hierzwischen zu ermöglichen. Die elektro-optische Achse Z (die c-Achse) des Substratmatcrials verläuft senkrecht zu beiden Wellenleitcrachscn 2A und 3/4 und senkrecht zur Hauptflächc 1-4 des Substrats I, wobei die beiden Wellenleitcrachscn senkrecht zur Papier ebene verlaufen. Diese Orientierung der c-Achse 7 ist durch den Winkel #—90" zwischen der c-Achse und einer senkrecht zu den Wellcnleileraehscn und parallel zu den Subslrnthauptflächcn IA und Iß verlaufenden Geraden dargestellt. Elektroden 4 und 5 sind je auf oder über den Wellenleitern 2 und 3 angeordnet. Die Länge (in die Blattebene hinein) der Wellenleiter längs der Achsen 2A und 3/4. über welche diese sich am nächsten kommen, ist eine Länge L die gleich einer minimalen Resonanz-Übergangslänge /oder einem ungeraden Vielfachen davon ist. Eine einstellbare Spannungsquelle 8, die eine Spannung V liefert, ist über einen Schalter 9 zwischen die Elektroden 4 und 5 geschaltet.

Der bekannte Modulator/Schalter arbeitet folgendermaßen: Wenn der Schalter 9 offen ist, wird in den Wellenleiter 2 eintretendes Licht in den Wellenleiter 3 gekoppelt und verbleibt dort. Wenn der Schalter 9 jedoch geschlossen ist und den Wellenleitern 2 und 3 ein elektrisches Feld 6 (E-FcId) aufgeprägt wird, hat die Kompo nente des Ε-Feldes in jedem der Wellenleiter, die parallel zur c-Achsc 7 ist, einen Einfluß auf den gegenüber polarisiertem Licht bestehenden Brechungsindex, was zu einer Unterbrechung der Richtungskopplerwirkung führt und bewirkt, daß das Licht in Wellenleiter 2 weiterläuft, ohne in den Wellenleiter 3 geschaltet zu werden.

In Fig. 2 ist der rechte Teil der Vorrichtung nach Fig. 1 nebst zugehörigem X.KZ-Koordinatcnsystem 13 vergrößert dargestellt, um die nachfolgende Analyse zu erleichtern. Das durch den Vektor E dargestellte elektrische Feld 6 ist als gekrümmte Linie gezeigt. Dieses Ii-FeId ist über dem gesamten Querschnitt des Wellenleiters 3 in der gleichen allgemeinen Richtung orientiert. Licht, das im Wellenleiter 3 übertragen wird, pflanzt sich in x-Richtung in optischen Moden fort, die in der Polarisation qualitativ den Richtungen der Pfeile 11 und 12 entsprechen. Das sich tatsächlich ausbreitende Licht ist ein elektromagnetisches Feld mit potentiell beliebiger Richtung seines E-Fcldvcktors f. Man kann es als die Vektorsumme der E-Feldvcktoren zweier Polarisations-Grundmoden betrachten, die transversal-clckirisch (TE) und transversal-magnetisch (TM) genannt werden.

Die E-Feldvektoren 12 und 11 des TE- bzw. des TM-Moden sind in Fi g. 2 dargestellt und mit ετι. und btm bezeichnet. Der TM-Mode weist einen E-Feldvektor auf, der parallel zur c-Achse 7 in Fig. 1 ist. Demgemäß »sieht« er eine Wellenzahl ffiKu die proportional zum außerordentlichen Brechungsindex n,. von LiNbO3 ist. Die

Änderung von ßnt aufgrund einer an die Elektrode 5 angelegten Spannung ist proportional zu r^E_n wobei E, die Komponente des aufgeprägten E-Fcldes in ^-Richtung ist. Demgemäß sieht der TE-Modenvektor eine Wellenzahl βτε entsprechend dem ordentlichen Brechungsindex n„ von LiNbO]. Die Änderung der Wellenzahl βτι(und des ordentlichen Index n„) ist proportional zu n_tE,. Leider sind bei vielen interessierenden Substanzen, wie LiNbOj und LiTaOj, ru und ru in ihrer Größe recht verschieden, so daß es unpraktisch oder unnütz ist, einen Richtungskopplerschalter herzustellen, der auf beide Polarisalionsmoden auf gleiche Weise einwirkt. Auch werden beide Moden bei diesem bekannten Schalter durch die H-Fcldkomponcnte E, beeinflußt, wodurch lediglich ein Freiheitsgrad für Abstimmeinstcllungcn gegeben ist.

In Fig.3 sind die Wcllcnzahlen ßu und ßtw wertmäßig in Abhängigkeit vom Orientierungswinke! öder c-Achse aufgetragen, θ liegt im Bereich zwischen 0 und 90°; alle anderen ^-Winkel sind einem Winkel in diesem Bereich gleichwertig. Wenn 6>=9O" ist, ist die Wcllcnzuhl /fm für den TM-Moden, dessen E-Feidvektor "im in c-Achsen-Richtung verläuft, höher als /in. da in LiNbOi der außerordentliche Brechungsindex n_c den ordentlichen Index n„ übersteigt. Andererseits ist bei 6·=0" (in F i g. 1 nicht gezeigt) die c-Achse parallel zur Substratoberfläche, und die dem TE- und TM-Moden präsentierten Wellcnzahlen sind vertauscht. Deshalb ändern sich bei Zwischenwerten von θ die den Moden präsentierten Wellcnzahlen zwischen ihren Extremwerten bei O=-0 und 0=90°, wie durch Kurven 15 und 16 gezeigt ist. Im ^-Bereich von 15 bis 75° sind die Steigungen der

Wellenzahlkurven nicht vernachlässigbar — bei 45° sind sie am größten —; es kann also ein Effekt, der eine

bestimmte E- Feldkomponente zur Beeinflussung des Winkels θ benutzt, einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die

Lösung des Problems zweier Polarisationen liefern. Nachstehend sind Ausführungsbcispiele auf der Basis der elektrooptischen Materialien L1NDO3 und LiTaO₃

mit einer c-Achsen-Orientierung im Bereich zwischen 15 und 75° beschrieben.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig.4 ist ein optischer Modulator/Schalter 20 mit einem Substrat 17, in das Wellenleiter 18 und 19 diffundiert sind. Die r-Achsc 26 des Substrats ist senkrecht zu den Längsachsen der Wellenleiter 18 und 19 orientiert und bildet einen spitzen Winkel 27 von beispielsweise 0-45° gegen die Substratebene. Streifenförmigc Elektroden 21, 22 und 23 sind auf der oberen Hauptfläche \7A des Substrats 17 so aufgebracht, daß die Elektroden 21 und 22 seitlich an den Wellenleiter 18 und die Elektroden 22 und 23 seitlich an den Wellenleiter 19 angrenzen. Die Elektroden 21 und 23 sind auf der je äußeren Seite der Wellenleiter 18 und 19 angeordnet und liegen auf etwa gleichem elektrischem Potential bezüglich der Mittelelektrodc 2Z Die Mittelelektrode 22 befindet sich zwischen den Wellenleitern 18 und 19 und ist im dargestellten Beispiel geerdet.

Die obere Dreiergruppe aus den Elektroden 2t bis 23 erzeugt entgegengesetzt gerichtete horizontale E-FeIdkomponenten 28 und 29, welche lediglich die Wellenzahländerungcn des TE-Moden beeinflussen. Die E-Feldkomponenten 28 und 29 verlaufen näherungsweise senkrecht zur Längsrichtung der Wellenleiter 18 und 19 und näherungsweise parallel zur Substratoberseite \7A. Weiterhin sind streifenförmig!; Elektroden 24 und 25 auf der Substraluntcrseite 17ß je unterhalb der Wellenleiter 18 bzw. 19 aufgebracht. Die Elektroden 24 und 25 sind i entweder durch mechanische Bearbeitung, lonenälzcn oder Ätzen des Substrates 17 so dicht an die Elektroden 21, 22 und 23 herangebracht, daß man vernünftig hohe Felder mit niedrigen Spannungen an den Elektroden erhalten kann. Den Elektroden 24 und 25 werden Spannungen zugeführt, deren Mittelwert gleich der halben Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 21 oder 23 und der Elektrode 22 ist. Wenn die Elektroden 21 und 23 auf Erdpotential liegen, was bedeutet, daß keine horizontalen E-Feldkomponenten 28 oder 29 vorhanden sind, dann haben die den Elektroden 24 und 25 zugeführten Spannungen den Mittelwert Null; sie sind daher entgegengesetzt gleich. Demgemäß werden auch vertikale E-Feldkomponenten 30 und 31 mit entgegengesetzter Richtung in den Wellenleitern 18 und 19 erzeugt. Die F.-Feldkomponenten 30 und 31 verlaufen näherungsweise senkrecht zu den Wellenleitern 18 und 19 und zu der die Wellenleiter enthaltenden Ebene 17/4. Ein wie nachfolgend beschriebenes Anlegen von Spannungen an alle Elektroden 21 bis 25 führt zu praktisch jeder gewünschten Kombination unabhängig abstimmbarer vertikaler und horizontaler Feldkomponenten £\ und E_/% die in den Wellenleitern induziert werden. Die Wellenleiter ig und 19 mit den Elektroden 21,22,24 bzw. 22,23, 25 werden zweckmäßig als Schalter 20 betrachtet, der nicht aus einer, sondern aus zwei wellenverarbeitenden Wellenleitervorrichtungen 20,4 und 2OiS aufgebaut ist. Fig.4 zeigt außerdem die erforderliche Schaltung zur Erzeugung der Elektrodenspannungen. >o

Die Spannungserzeugungsschaltung nach F i g. 4 besitzt zwei unabhängig abstimmbare Steuerspannungsquellen 39 und 40. Die Quelle 39 erzeugt eine Spannung Vi, welche die horizontalen oder TE-Modcn-Wellenzahländerungen einstellt. Die Spannungsquelle 40 erzeugt eine Spannung 2 Vj, welche die vertikalen oder TM-Moden-Wellcnzahländerungen einstellt. Die Quellen 39 und 40 werden mittels Schaltern 42 und 41 angeschlossen und abgetrennt, um Modulations- oder Schaltsignalc für die Elektroden 21 bis 25 zu erzeugen. Die gewünschten Elektrodenspannungsverhältnisse werden durch Verwendung einer Brückenschaltung erfüllt, die gleiche Widerstände R bei 35,36,37 und 38 aufweist.

Wenn beispielsweise der Schalter 41 offen und der Schalter 42 geschlossen ist, so daß die Außenelektroden 21 und 22 mit einer Spannung Vi gegen die Miuelelektrodc 22 beaufschlagt werden, dann führen die beiden Elektroden 24 und 25 unterhalb der Wellenleiter 18 und 19 eine je gleiche Spannung von Vj V\. Bei geöffnetem Schalter 42 und geschlossenem Schalter 41 befinden sich die Elektroden 21 und 23 aufgrund der Spannungsteilerwirkung der Widerstände 35 und 36 auf Erdpotential, und die Elektroden 24 und 25 haben entgegengesetzt gleiche Spannung V2 bzw. — V₂. Wenn beide Schalter 41 und 42 geschlossen sind, erzeugt die Schaltung für die Elektroden 24 und 25 Spannungen, die gleich '/> V,+ Vi bzw. V₂ Vi — V> sind. Folglich kann praktisch jede Kombination von E-Feldkomponcnten in den Wellenleitern durch die unabhängige Einstellung der Spannungen V, und 2 V₂ der Quellen 39 und 40 erzeugt werden.

Eine Möglichkeit des praktischen Betriebs dieser Ausführungsform ist ein Schalten beider Polarisationen durch gleichzeitige Betätigung der Schaller 41 und 42 mit hohen Schallfrequenzen. Zweckmäßig werden dann bekannte Schalttransistorschaltungen oder andere sehr schnelle Schaltervorrichtungen als Ersatz für die mechanischen Schalter 41 und 42 in der Steuerschaltung verwendet. Das Abstimmen der Spannungsquellen 39 und 40, das im Laborstadium manuell vorgenommen werden kann, geschieht im kommerziellen Betrieb vorzugsweise automatisch oder durch Voreinstellung. Das Erfordernis übermäßig strenger Toleranzen beim Schneiden des Substrats oder beim Aufbringen der Wellenleiter und Elektroden ist im wesentlichen ausgeschaltet, da Einstellungen elektrischer Art mechanische Abweichungen von einer gegebenen Entwurfsgeometrie kompensieren.

F i g. 5 zeigt das zugehörige Brecnungsindexeüip.soid 59. Bekanntlich weisen einachsige Kristalle Doppelbrechung auf. Dabei wird ein einfallendes Strahlenbündel zerlegt in eine Polarisationskomponente, die den außerordentlichen Brechungsindex n_c »sieht«, und in eine hierzu senkrecht polarisierte Komponente die den ordentlichen Brechungsindex n„ sieht und sich demgemäß mit anderer Geschwindigkeit ausbreitet. Die c-Achse ist definitionsgemäß die Richtung der Polarisation, die den außerordentlichen Index sieht.

Entsprechend der klassischen Analyse wird ein Indexellipsoid für das Material gezeichnet, und die Schnittfläehe dieses Ellipsoids senkrecht zur Ausbrcitungsrichtung der ebenen Welle hat eine Haupt-Halbachse, die proportional zu n_c ist und eine Nebcn-Halbachsc, die proportional zu n„ ist. Für die Ausbreitung einer ebenen Weüe in döppeibrechenden-. Material unendlicher Ausdehnung haben nur die Haupi-Halbachse und die Neben-Halbachse physikalische Bedeutung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform leiten die Wellenleiter jedoch nur einen einzigen TM-Moden und einen einzigen TE-Modcn. In dem Wellenleiter tritt aber beträchtliche Reflektion vom Strahlen-optischen Gesichtspunkt aus auf, die zu Wellenzahlwerten βτι: und βτκι gemäß F i g. 3 führt. Diese Weilenzahlwerte können zwischen jenen liegen, die man bei einer Analyse der rein ebenen Welle in einem unendlichen einachsigen Medium erwarten würde.

Folglich hat der ganze lndexellipsoid-Querschniit 59 eine physikalische Bedeutung im Hinblick auf die phänomenologische Betrachtung der Reflektion elektromagnetischer Wellen. F i g. 5 zeigt den Ellipsoidquer- «1 schnitt 59 in solcher Orientierung, daß seine Haupthalbachse 50 in ^-Richtung oder c-Achsenrichtung und seine Nebenhalbachsc 51 in y-Richtung orientiert ist. Die Ordinate nm und die Abszisse πτι. schneiden den Ellipsoidquerschnitt bei den effektiven Werten 53 und 52 des Brechungsindexes entsprechend den Wellenzahlen, die von den TM- bzw. TE-Moden gesehen werden. Die 2-Achsc und die c-Achse bilden den Winkel Θ.

Vom Standpunkt der Parallelwellenleiter-Richtungskopplcr-Modulator- und -Schalteranwendungen aus gese- b5 hen sind es die Änderungen der Wellenzahlen entsprechend den Änderungen der Brechungsindices πτμ und'uns; die hauptsächlich von Interesse sind. Dies, weil die parallelen Wellenleiter 18 und 19 im wesentlichen identisch vom Standpunkt eines TE-Moden in jedem Wellenleiter oder eines TM-Moden in jedem Wellenleiter hergestellt

werden und die induzierten Indexänderungen zur Durchführung einer Entkopplung der beiden Wellenleiter dienen.

Es wird nun wieder F i g. 5 betrachtet. Das Anlegen eines elektrischen Feldes E, längs der z-Richtung erzeugt eine Änderung des außerordentlichen Index n,- und der Länge der Haupthalbachse 50, die proportional zu rjjE, ist, wie dieses durch den Pfeil 54 dargestellt ist. Dasselbe Feld £. erzeugt eine beträchtlich kleinere Änderung des ordentlichen Index n„ proportional zu r\ |E„ wie dieses durch den viel kleineren Pfeil 56 dargestellt ist. r_u ist der größte elektro-optische Koeffizient in LiBnOi und LiTaOi. η ι ist etwa ein Viertel so groß und ist in der folgenden qualitativen Diskussion deakzentuiert.

Ein elektrisches Feld in Ε,-Richiung dient entweder zur Vergrößerung oder zur Verkleinerung des Oricntic-

ίο rungswinkels Θ, des Ellipsoids gegenüber den Polarisationsrichtungen, wobei die Richtung der Winkeländcrung von der Richtung von E₁ abhängt. Der Betrag der Winkeländcrung ist proportional zu /«Ei. wie dieses durch den Pfeil 55 gezeigt ist. Die Pfeile 54 und 55 besitzen vergleichbare Längen, da die Koeffizienten niund T₄₂Jn LiNbOi und LiTaO3 vergleichbare Größe aufweisen.

Wenn ein elektrisches Feld Em entsprechend der Fcldkoniponente 30 der F i g. 4 vertikal an den Wellenleiter angelegt wird, liegen Komponenten des En-Feldes sowohl in der,κ- als auch in der z-Richtung in Fig. 5, wenn θ beispielsweise 45° ist. Dann ist die Brcchungsindcx-Änderung 58, die proportional zu Aßm ist, vom TM-Moden gesehen, positiv aufgrund der Vergrößerung der Abmessungen der Ellipse wegen E, und auch wegen der Drehung der Ellipse im Gegenuhrzeigersinn, was einen Anstieg des Punktes 53 auf der nrM-Achse bewirkt. Andererseits wirken die beiden Effekte vom Standpunkt der vom TF.-Moden gesehenen WcHcnzahl einander entgegen, wenn lediglich eine vertikale elektrische Feldkomponente EM betrachtet wird. Die Neigung des Punktes 52, auf der /in-Achsc nach rechts zu wandern, wenn die Abmessungen der Ellipse aufgrund von r_nE, und ΓηΕ, größer werden, wird durch die Tendenz des Punktes 52, wegen der Gegenuhrzeigerrichtungsdrehung des Ellipsoids aufgrund von T₄₂Ei nach links zu wandern, ausgeglichen. Das bedeutet: wenn das Verhältnis von E_y und E, richtig gewählt ist, können die TM-Schwingungsmoden ohne jede entsprechende Wirkung auf die TE-Schwingungsmoden beeinflußt werden.

Wenn andererseits ein elektrisches Feld Er entsprechend der Feldkomponente 28 in F-" i g. 4 rechts in F i g. 5 angelegt wird, wird die Ellipse in ihren Abmessungen aufgrund einer Komponente des elektrischen Feldes in der z-Richtung vergrößert. Die Drehung der Ellipse findet nun jedoch nicht im Gegenuhrzeigersinn sondern im Uhrzeigersinn statt, da das elektrische Feld eine Komponente antiparallel zur .y-Richtung aufweist. Diese beiden Wirkungen addieren sich vektoriell und ergeben eine große Wirkung auf die TE-Moden dadurch, daß eine relativ große Änderung 57 des effektiven Index 52 der von den TE-Schwingungsmodcn gesehenen Wellenzahl βτε erzeugt wird. Im Fall des horizontalen elektrischen Feldes E/ besteht jedoch am Punkt 53 eine Tendenz in Richtung Auslöschung der Wcllenzahländerung Δβτκ\, da eine Indexvergrößerung am Punkt 53 aufgrund von ΓηΕι und /jjE/durch die Uhrzeigerrichtungsdrehung T₄₂E₁ des Ellipsoidqucrschnitts ausgeglichen wird.

Man sieht also, daß die vertikalen und horizontalen elektrischen Felder Em und E/ Wellenzahländerungen dßnt und Δβτκ, die den TE- und TM-Moden präsentiert werden, in einer im wesentlichen unabhängigen Weise steuern können. Da gemäß F i g. 4 die Spannungsqucllen 39 und 40 zur unabhängigen Steuerung der vertikalen bzw. horizontalen E-Feldkomponcntcn in der Lage sind, können diese Spannungsquellen die Wellenzahländerungen βτΜ bzw. ßn: unabhängig steuern. Die großen clcktro-optischen Koeffizienten r» und T₄₂ werden in beiden Fällen verwendet, was einen bemerkenswert empfindlichen optischen Schalter für beide Polarisationen ergibt.

Es seien noch einige mathematische Berechnungen angestellt, um einen vorteilhaften Kristaüschnitt zu beschreiben, der bei den vorliegenden Ausführungsformen verwendbar ist. Wenn ein elektrisches Feld an einen Kristall angelegt wird, kann die allgemeine Gleichung des Indexellipsoids wie in »Electrooptic Light Modulators« von 1. P. Kaminow et al.. Proceedings of the IEFE, Vo. 54. Nr. 10. Oktober 1966, Seite 1375, Gleichung 3 beschrieben werden. Der vorliegende Ellipsoidquerschnitt nach F i g. 5 ist von jener allgemeinen Gleichung abgeleitet und ist gegeben durch

-T₁₂£,+ T₁₃E₁)/ + Qj +Tj₃E₁) Z² + 2 T_nE^Z = 1.

(D so \ηί - ■ ...

Um die effektiven Brechungsindices him und nu zu finden, die durch die Punkte 53 bzw. 52 repräsentiert sind, muß man zuerst Gleichung 1 nach πιμ und dann nach π η lösen, indem man die folgenden Gleichungen verwendet, die ητΜ zu deren Koordinaten im y. z-Systcm in Beziehung setzen, basierend auf der Annahme, daß #=45 Grad ist. Wenn 0=45Grad ist,sind die Koordinaten von nni(Punkt 53 in Fig.5)y=n/M/^2undz-=/7rAfty2und die Koordinaten von nn:(Punkt 52) sind /- nn/|/2 und /= ππ^ι/Σ Demgemäß ist

* 2 2 " ^W

Zur Auflösung nach πτμ setze man in Gleichung (1)

γ (3)

Außerdem setze man in Cileichung (1) zur Auflösung mich /;;/_:

yt-OL·. (4)

Um Ausdrücke unter Verwendung der vertikalen und horizontalen Felder /fwuiul /:'/ /u erhallen.sotze man

E₁)ZfI (5)

rn =	-,67,
Γ<2 =	28.
rn -	8,6.
_r,, ₌	30,8.

und _

E,=(E_M-Er)/\/2. (6) iü

Das Einsetzen der Gleichungen (2) bis (6) in Ci leichung (1) und deren Auflösung ergibt

- 2 r_4J - (r_l3 + r„)) E„ - (r» - 2 /42 + '» + Pi) Cg \ ™

171 Γ ⁽⁷⁾ "⁵

n_TE » I/2 «a «r ί j ₊ 1 (Π; - 2 Λρ - ('u + 03» E_M-(r_n-2 r₄₁ + r_l3 + r_}J) E_E \

V K₀ + n, I 2 VT" 1 ₊ J_ J

nj n)

Die Gleichungen (7) und (8) liefern nrt: und πγλλ Erwünscht sind natürlich die Ausdrücke für die Änderungen von nn: und htm. da diese proportional zu den Wellen/.ahländerungen oder zu den Richtungskopplerwellenleiterfehlanpassungen Aßrr und Αβημ sind. Diese Wellenzahländerungen sind proportional zu den die r-Koeffizienten einschließenden Zählerausdriickcn in Gleichungen (7) und (8). Die Werte der /-Koeffizienten in LiNbOj, in Einheiten von 10"¹² m/ V, sind

Durch Einsetzen der Konstanten und Prüfen des zweiten Terms in den Zählern der Gleichungen (7) und (8) erhält man

_: (10)

(11)

Die Gleichungen (10) und (11) zeigen mathematisch, daß die Wirkungen der aufgeprägten E-Feldkomponenten £\fund Ee auf die von den TM- undTE-Moden gesehenen Wellenzahländerungen im wesentlichen unabhängig sind, wie es qualitativ in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben ist. Die Feldwirkungen treten hauptsächlich durch die Koeffizienten rn und /42 auf. Eine Analyse der Gleichungen (7) und (8) zeigt, daß die effektive elektro-optische Empfindlichkeit auf jede Feldkomponentc £\./oder Ei.etwa

(96-17)/30,8

2VT

r₃) oder 0,91 r_n ist, was im wesentlichen das gleiche wie ru ist, der empfindlichste elektro-optische Koeffizient. Diese Ausführungsform erstreckt also vorteilhaft die Empfindlichkeit bekannter Modulatoren und Schalter auf beide Polarisationsmoden, und nicht nur auf einen.

Vor kurzem hat man herausgefunden, daß das Nebensprechverhaltcn optischer Schalter beträchtlich verbessert werden kann durch Verwendung von F.lcktrodcnabschn.ittcn für abwechselnd positive und negative Wellenzahländerungen Aß. Solche Schalter sind als optische ±Δβ-Schalter bekannt (US-PS 40 12 113). Sie können in der vorliegenden Weise für einen Betrieb in beiden Polarisationsrichtungen weiter verbessert werden.

Im allgemeinen umfaßt der ±4#-Betrieb ein Richtungskopplerschalten über eine Länge L die sich von einem Vielfachen der kritischen Kopplungslänge / etwas unterscheidet. Die Länge L ist von einem »cross-bar«-Diagramm (»Obertritt-Durchlaufw-Diagramm) gemäß den F i g. 3 und 8 der US-PS 40 12 113 ausgewählt.

DerSchalter 20 nach Fi g. 4 eignet sich für ein ±4*?-Schalten. Hierzu wird ein Richtungskoppler einer Länge L. die aus einem cross-bar-Diagramm ausgewählt ist, mit einer ersten Eleklrodengruppe 21,22,23,24,25 in der in Fig.4 gezeigten Geometrie und einer (nicht dargestellten) zweiten Elektrodengruppe 21', 22', 23', 24', 25' identischer Abmessung und Anordnung hergestellt, die in der Zeichnung unterhalb der Papierebene angeordnet ist Mit der zweiten Elektrodengruppe werden E-Feldkomponenten, die zu den Komponenten 28, 29 und 30,31 der F i g. 4 je entgegengesetzt oder antiparallel gerichtet sind, erzeugt. Die Elektroden 22 und 22', die geerdet sind oder auf anderweitig gleichem Potential liegen, können als ein gemeinsamer Elektrodenstreifen hergestellt werden. Ein zweites Brückennetzwerk mit einer zweiten Gruppe von Spannungsquellcn 39' und 40' (nicht gezeigt) zur Erzeugung von Spannungen, die entgegengesetzte Polarität aufweisen und dem Betrag nach Vi und 2V₂ der Quellen 39 und 40 gleichen, sind zum Treiben der zweiten Elektrodenfolee im O

vorgesehen. Die Quellen 39,40,39' und 40' sind bezüglich der Spannung schaltbar, um auch einen Niedrigspannungsdurchlaufzustand durch eine mit den Lehren der genannten US-PS verbundenen Methode zu erreichen.

Fig. 6 zeigt eine weitere Elektrodenanordnung für ein ±4^-SchaIten im cptischen Schalter 110. Die Länge des Schalters wird wieder aus einem cross-bar-Diagramm bestimmt, und es sind zwei asymmetrische Elektrodendreiergruppen 111, 112, 113 bzw. 114, 115, 116 vorgesehen. Die Miltelelektroden 112 und 115, die je über dem Wellenleiter 74 angeordnet sind und sich seitlich in die Nähe des Wellenleiters 73 erstrecken, sind beide geerdet und liegen als Teile eines gemeinsamen Streifens vor. Die Außenelektroden 111,113 und 114,116 sind beidseits der Wellenleiter 73 und 74 je paarweise angeordnet. Die Elektroden 111 und 112 sind mit einer Potentialdifferenz V, beaufschlagt, und die Elektroden 114 und 115 mit einer Potentialdifferenz — V* so daß dem Wellenleiter 73 elektrische Felder 117 und 119 zum ±4*-Schalten des TE-Moden aufgeprägt werden. Die Elektroden 112 und 113 sind mit einer Potentialdifferenz V; beaufschlagt, und die Elektroden 115 und 116 mit einer Poteniialdifferenz — V₄, um die aufgeprägten elektrischen Felder 118 und 120 für ein ±z//?-Schalten des TM-Moden zu erzeugen. Wenn der Vorteil des niedrigen Nebensprechen des ±4^-SchaItens nicht benötigt wird, genügt als einziges die asymmetrische Elektrodendreiergruppe 111,112,113 in einer Länge, die gleich der minimalen Resonanzlänge /oder ein ungcradzahliges Vielfaches davon ist. Bei der ±Δβ·Version erzeugt die zweite asymmetrische Dreiergruppc 114,115, 116 die beiden zusätzlichen Feldkomponenten 119 und 120, die antiparallel zu den Komponenten 117 bzw. 118 sind, so daß das optische Schalten mit verringertem Nebensprechen ermöglicht wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig.4, bei welcher das ±J/?-Schalten nicht verwendet wird, ist die Länge L gleich der minimalen Resonanzlänge / oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon und ist angenommen worden, daß diese Länge mit ausreichender Genauigkeit für den im Einzelfall erforderlichen Grad an Modulator/Schalter-Leistungsfähigkeit hergestellt wird. Wenn es aus wirtschaftlichen oder anderen Gründen erwünscht ist. die beim Herstellungsprozeß erforderliche Genauigkeit von /. zu lockern, ist eine elektrische Abstimmung des von den TE- und den TM-Moden je gesehenen effektiven L vorteilhaft möglich.

F i g. 7 zeigt einen ähnlichen Richtungskoppler wie in F ig. 4, wobei gleiche Teile gleiche Bezugsziffern tragen. In F i g. 7 ist jedoch die Länge L lediglich näherungsweise der Länge / oder eines ungeradzahligen Vielfachen hiervon, gesehen vom TE-Moden und vom TM-Moden. Um die Länge für beide Polarisationsmoden abzustimmen und damit eine vorteilhaftere Modulation und ein optisches Schalten mit reduziertem Nebensprechen auf andere Weise als durch die ±4^-Lösung zu erhalten, ist die Kopplung zwischen den Wellenleitern 18 und 19 elektrisch veränderlich gemacht. Das heißt, die Kopplung für den TE-Moden wird durch eine erste zusätzliche Spannungseinstellung elektrisch modifiziert und die Kopplung für den TM-Mode wird durch eine zweite zusätzliche Spannungseinstellung elektrisch modifiziert. Demgemäß sind Elektroden 21, 22,23, 24 und 25 mit Spannungen Vn, Vi₂, Vu, Vi₄ bzw. V₁-, beaufschlagt, die einstellbar und in die beiden Schaltzustände schaltbar sind oder auf andere Weise geeignet moduliert werden. Da nur vier Freiheitsgrade erforderlich sind, um die vier Varieblen Δβτε. ΔβτΜ, TE-Kopplungsänderung und TM-Kopplungsänderung abzustimmen, wird eine der Spannungen Vn, V|2, Vii. Vm und Vis auf konstantes, vorteilhaft Erdpotential gelegt.

In F i g. 7 ist dieses beispielsweise Vu. Die Elektroden 21,2.3,24 und 25 werden dann mit schaltbaren Quellen der Spannung Vn, Vu, Vi₄ bzw. V₎₅ je gegen die Spannung V,₂-0(Erdc) betrieben. Die Spannungen Vn und Vu bestimmen die elektrische Feldkomponentc 28 im Wellenleiter 18 bzw. die elektrische Feldkomponente 29 im Wellenleiter 19. Die Brechungsindexänderung über den elektro-optischen Effekt in jedem Leiter für den TE-Moden modifiziert nahezu unabhängig die Ausbreitungskonslantendiffcrcnz /J//7/ der Wellenleiter und die Änderung der Kopplung zwischen diesen. Dieses resultiert aus der Tatsache, daß die Differenz der Indexänderungen in den Wellenleitern 18 und 19 mit Δβη verknüpft ist, und der Mittelwert der Änderungen mit der Kopplungsänderup.g verknüpft ist. Somit genügen unabhängige Einstellungen von Vi 1 und Vu, um den Anforderungen sowohl der WellenzahländerungJ/n als auch der Kopplungsänderung für jeden gegebenen Schallzustand zu genügen. Für den anderen Polarisationsmoden, d. h. den TM-Modcn, werden die Anforderungen bezüglich Wcllenzahländerung/7M und TM-Kopplungsändcrung vorteilhaft durch eine unabhängige Einstellung der Spannungen V₁₄ und V|j an den Elektroden 24 und 25 erfüllt. Wenn beispielsweise die Spannungen Vu, Vi: und Vu alle auf null eingestellt sind, dann ist die Differenz der Spannungen V_M und V^ mit der Wellenzahländerung Δβτκι verknüpft, und der Mittelwert der Spannungen Vi₄ und V_r. mit der TM-Kopplungsänderung. Allgemein gilt: wenn an den Elektroden 21,23,24 und 25 die Spannungen Vn, Vu

K₁₄ 'ψ +A K₁₄ (12)

K₁₅ 'ψ +AV₁₅ (13)

sind, mit Vi > = 0, dann sind verknüpft

— die TE-Wellenzahländerung J/y;/ mit V,,+ Vu.

— dieTE-Kopplun^sänderung mit^Vn- V_n)/2

b^ri — die TM-WellenzahländerungJ/y/Ainiit./Ku- dV_y, und

— die TM-Kopplungsändcrung mit (J Vn+<:7Vn)/2.

Bei Verwendung der Ausführungsform als Schalter wird beliebig polarisiertes Licht vorgesehen und Vi ι und Vu werden so bestimmt, daß mit Vm= Vu/2 und Vr,= Vu/2 das vom Wellenleiter 18 übertragene Licht ein Minimum wird. Diese Einstellung ergibt angenäherte einen Übertritts/usiand für die TE-Komponenie. Dann werden Vm und Vis experimentell so abgestimmt, daß das vom Wellenleiter 18 übertragene Licht praktisch Null wird, man also einen Übertrittszustand sowohl für die TE- als auch die TM-Moden erhält. Die erhaltenen Spannung;.- 5 werte sind die Übertrittszusiandswerie. Als nächstes wird der gleiche experimentelle Einstellungsvorgang durchgeführt, um das vom Wellenleiter 19 übertragene Licht praktisch /u Null zu machen, also einen Durchlaufzustand im Wellenleiter 18 sowohl für die TE- als auch die TM-Moden zu erhalten. Die solchermaßen erhaltenen Spannungswertc sind die Durchlaufzusiandswcrtc.

Ersichtlich umfaßt die Erfindung ein Schalten beider Polarisationsrichtungen in elektromagnetischen Wellen- to leitern unter Ausnutzung auch anderer physikalischer Effekte als der elektro-optische Effekt und anderer Materialien als LiNbOj und LiTaOi, wobei auch spaltlose Richtungskoppler und Einzclwcllenleiter-Wellenverarbeitungsvorrichtungcn konzipiert werden kennen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Schalter und/oder Modulator mit

— einem aus elektrooptischen! Material gebildeten Paar von Wellenleitern, die

— an einer Oberfläche eines Substrats gebildet sind,

— über ein Kopplungsinlervall gemeinsam nebeneinander verlaufen und

— optische Wellenenergie in Moden mit zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen (TE-Mode und TM-Mode) zu Obertragen vermögen, und

ίο — zwei Elektrodengruppen zum Erzeugen zweier zueinander senkrechter Komponenten eines elektrischen Feldes (E-Feldes) innerhalb der Wellenleiter je parallel zu den beiden Polarisationsrichtungen und

— einer mit den Elektrodengruppen verbundenen Spannungsstcuerschaltung zum getrennten Abstimmen der beiden E-Feldkomponenlcn nach Betrag und Vorzeichen.

is dadurch gekennzeichnet, daß

— sich die beiden Elcktrodcngruppcn (21,22,23 bzw. 24.22,25 in F i g. 4 und 7; 111,112 bzw. 114,115 oder 912, 113 bzw. 115, 116 in Fig.6) über gemeinsame Längenabschnitte des Kopplungsintervalles (L) erstrecken und

— die elektrooptisch^ Achse fC-Achsc) des Wellcnleilcrmatcrials, die senkrecht zu den Längsachsen beider Wellenleiter orientiert ist, mit der durch die beiden Wcllenleiteraehsen definierten Ebene einen Winkel zwischen 15" und 75". vorzugsweise von 45", bildet.

2. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

— die erste Elcktrodcngruppc (21,22,23) auf der die beiden Wellenleiter enthaltenden Substrateberfläche (\7A) zur Erzeugung einer parallel zu dieser Substralobcrfläche verlaufenden E-Feldkomponente (28, 29) in jedem Wellenleiter (18,19) angeordnet und ausgebildet ist und

— die zweite Elektrodengruppe (24, 25) auf der entgegengesetzten Substratoberfläche {\7B) für ein im jo Verein mit der ersten Elektrodcngruppc erfolgendes Erzeugen der zweiten (zur ersten E-Fcldkompo-

nente senkrechten) E-Feldkomponcntc in beiden Wellenleitern angeordnet und ausgebildet ist (Fig.4, 7)·

3. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß κ

— die erste Elektrodcngruppc eine zwischen den Wellenleitern (18, 19) angeordnete Mittelelektrode (22), die an die inneren Seiten der beiden Wellenleiter angrenzt, und zwei je an die äußeren Seiten der Wellenleiter angrenzende Außenelektroden (21,23) aufweist und

— die zweite Elcktrodcnj,ruppe zwei Elektroden (24,25) aufweist, die je einem Wellenleiter (18,19) direkt gegenüberstehen (F ig. 4,7).

4. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite F.-Feldkomponcnte im einen der Wellenleiter je antiparallel zu ihren Gegenstücken im je anderen Wellenleiter verlaufen.

5. Optischer Schalter und/oder Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere entsprechend ausgebildete Elektrodcngruppcn auf einem an die beiden ersten Elektrodengruppen angrenzenden Längenabschnitt des Kopplungsintervalles angeordnet sind und für einen ±4^-Bctrieb antisymmetrisch bezüglich der ersten beiden Gruppen angesteuert werden (F i g. 4). 6. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß

— beide Elcktrodcngruppcn auf der die Wellenleiter (73, 74) enthaltenden Substratoberfläche (72a) angeordnet und so ausgebildet sind, daß die eine Gruppe (Ul, 112) im einen Wellenleiter (73) lediglich die eine E-Feldkomponente (117) erzeugt und die andere Gruppe (112; 113) im anderen Wellenleiter (74) lediglich die andere E-Feldkomponcntc (118) erzeugt, und

— zwei weitere, entsprechend ausgebildete Eleklrodengruppen (114,115 bzw. 115,116) auf einem an die beiden ersten Gruppen (111,112 bzw. 112,113) angrenzenden Längenabschnitt des Kopplungsintervalles (!.^angeordnet sind und für einen ±Δβ-Betrieb antisymmetrisch bezüglich der ersten beiden Gruppen angesteuert werden (F i g. 6).

bO 7. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die F.lektrodcn-

gruppen insgesamt aufgebaut sind aus

— einer gemeinsamen Inncnclckirodc (112, 115), die in Querrichtung sich über einen der beiden Wellenleiter und wenigstens die /one zwischen diesen erstreckt, und

h^r> — vier Außenelektroden (III, 113; 114, 116), von denen je zwei auf verschiedenen Liingenabschnitten des

Kopplungsiniervallcs liegend, auf den äußeren Seilen der beiden Wellenleiter und diesen benachbart angeordnet sind (F i g. 6).

8. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 6 oder 7. dadurch gekennzeichnet, daß die von der ersten Eleklrodcngruppe in den Wellenleitern erzeugten elektrischen Felder antiparallel zu den von der zweiten Elektrodengruppe in den ein/einen Wellenleitern erzeugten elektrischen Feldern verlaufen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Schalter und/udcr Modulator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen An für beliebig polarisiert«:, sich in optischen Wellenleitern fortpflanzende elekiromagnelische Wellenenergie.

In den letzten Jahren hat die Übertragung großer Informationsmengen durch entsprechend modulierte elektromagnetische Wellen des optischen Spektralbereichs (IR—UV) zunehmend größere Aufmerksamkeit erfahren. Um Information von verschiedenen Quellen zu je verschiedenen Bestimmungsorten zu übertragen, sind sowohl Vorrichtungen zum Aufmodulieren der Information auf das Licht als auch Vorrichtungen zum (vermittelnden) Schalten des Lichtes /um jeweils gewünschten Bestimmungsort erforderlich. Hierzu ist es bekannt, chipförmige Substrate aus kristallinen Materialien vorzusehen, die optische Wellenleiter und Elektroden zur Ausführung solcher Funktionen in integrierter Form aufweisen. Die optische Wellenenergie wird dabei im allgemeinen in den verschiedensten Polarisationszustünden übertragen.

Integrierte optische Schalter und Modulatoren sind aber an sich polarisationsempfindlich und können daher nicht für alle Polarisationsrichtungen Verwendung finden. Die Bestrebungen gehen deshalb dahin, polarisationsempfindliche Baueiemenlc /ur Verfugung zu haben. Ein bekannter polarisatiormirtempfindlicher integrierter optischer Schalter und/oder Modulator ist in Applied Optics, Band Ib, Nr. 8, August 1977, Seiten 2166 bis 2170 j::; beschrieben. Er besitzt ein aus elektrooptischem Material gebildetes Paar von Wellenleitern, die an einer

ff Oberfläche eines Substrates gebildet sind, über ein Kopplungsintcrvall gemeinsam nebeneinander verlaufen und

(I optische Wellenenergie in Moden mit zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen (TE-Mode und

SS TM-Mode) zu übertragen vermögen. Weiterhin sind zwei F.lektrodengruppcn /um Erzeugen zweier zueinander

:i senkrechter Komponenten eines elektrischen Feldes (E-Fcldes) innerhalb der Wellenleiter je parallel zu den

>■ beiden Polarisationsrichtungen sowie eine mil den Elektrodengruppcn verbundene Spannungssteuerschaliung

zum getrennten Abstimmen der beiden Iv Feldkomponenten nach Betrag und Vorzeichen vorgesehen. Der bekannte optische Schalter und/oder Modulator nutzt den Umstand aus, d;'ß die beiden zueinander senkrechten jo E-Feldkomponenten mit unterschiedlichen elektrooptischen Koeffizienten zur Induzierung von entsprechend ; unterschiedlichen Breehungsindexänderungen in diesen Richtungen verknüpft sind. Die Verwendung der beiden

F.lektrodengruppcn führt daher zu der grundsätzlichen Möglichkeil, durch eine geeignete Schalterabstimmung

' zu einem polarisationsunempfindlichen Betrieb /u gelangen.

[. Bei dem bekannten Schalter und/oder Modulator führt aber die Anordnung der beiden Klektrodengruppen in

I. Wellenleiterlängsrichlung hintereinander zu einer langen Kopplungsstreckc. Da die Übertragungsverlustc bei

optischen Frequenzen im Bereich von 1 dB/cm Kopplungsstrecke liegen, führt der bekannte Schalter und/oder Modulator zu wesentlichen Einfügungsdäinpfungen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den optischen Schalter und/oder Modulator der vorausgesetzten Art so weiterzubilden, daß dessen Einfiigungsdämplung minimiert und darüber hinaus auch dessen PoUirisationsunempfindlichkeit verbessert wird.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe mil ilen kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, daß sich gemäß der Erfindimg die beiden Elekirodcngruppcn über gemeinsame Längenabschnitte des Kopplungsintcrvalles erstrecken, kann dieses stark verkürzt werde.), wodurch nicht nur die Einfiigungsdämpfung entsprechend reduziert, sondern auch die Baulänge und damit die Packungsdichte solcher Bauelemenlc auf einem Subslratchip erhöht werden kann. Auch können beträchtlich größere Merstellungstolera117.cn bei der Herstellung solcher Modulatoren und/oder Schalter zugelassen werden, da. wie gefunden wurde, auch elektrische Abstimmeinstellungen möglich sind.

Dadurch, daß die elektrooptisch^ Achse fr-Achse) des Wcllenleiiermaicrials senkrecht zu den Längsachsen beider Wellenleiter orientiert und mit der durch die beiden Wellenleiierachsen definierten Ebene einen Winkel von 15 bis 75°, vorzugsweise von 45", bildet, können für den einen Polarisalionsmode eine Brechungsindexänderung über den größten elektrooptischen Koeffizienten rn in Abhängigkeit von dereinen H-Fcldkotnponcnte und für den anderen Polarisalionsmode eine Brechungsindexänderimg über den nur wenig kleineren elektrooptischen Koeffizienten /4.1 in Abhängigkeit von Jer E-Feldkomponenie erreicht werden. Auf diese Weise erreicht man eine etwa gleich große elektrooptische Empfindlichkeit für beide Polarisationsmoden. Diese steht im Gegensalz zu dem in Applied Optics supra als spezielles Beispiel beschriebenen Schalter und/oder Modulator, bei dem jener c-AchsenwinkeiyO" betragt und mit den elektrooptischen Koeffizienten /ή und η (gearbeitet wird. Der Koeffizient r, 1 ist aber nur etwa V₄ so groß, der bekannte Schalter hat daher unterschiedliche elektrooptische Empfindlichkeiten für die beiden Polarisationsmodell und ist demgemäß nur bedingt polarisaiionsunempfindlich. Hinzu kommt noch, daß die erfinduiigsgemäß bevorzugten Koeffizienten rn und r.i.· eine Abstimmung w> beider Polarisalionsmodenwellcnzahlcn β und außerdem eine Abstimmung der Kopplung für beide Polarisationsmoden erlauben.

Im folgenden ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsfornien näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 eine Schni I Umsicht eines be kann I en Modulators oder Schalters liir integrierte Optik, ir>

Fi g. 2 eine vergrößerte Tcilansichi der I·' i μ. I.

F i g. i eine grafische Darstellung der beulen Wcllcn/ahlen // in Abhängigkeit vom Substral-c¹-Achsen-Orienlierunuswinkel Θ.