DE3218626C1

DE3218626C1 - Steuerbare integriert-optische Bauelemente

Info

Publication number: DE3218626C1
Application number: DE19823218626
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.-Ing. 4330 Mülheim Langmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-05-18
Filing date: 1982-05-18
Publication date: 1983-07-21

Description

Die Erfindung betrifft steuerbare integriert optische Bauelemente nach dem Oberbegriff des Anspruchs I. Zum Betrieb solcher integriert-optischer Bauelemente wie Richtkoppler oder Mach-Zehnder-Interfcrometer als Schalter oder Modulatoren werden bisher vorwiegend zwei verschiedene Ansteuerprinzipien verwendet: dies sind die reine Lauffeldleitung (Fig. 1) und konzentrierte Elektroden (F i g. 2).

In F i g. I ist die reine Lauffeldleitung als unsymmetrische Koplanarleitung ausgeführt auf einem optischen Richtkoppler dargestellt. Sie wird an einem Ende von einem Generator mit dem Innenwiderstand R, angesteuert und ist am anderen Ende mit diesem Widerstandswert als Lastwiderstand abgeschlossen. /?,■ ist gleich dem charakteristischen Wellenwiderstand Z₁, der Koplanarleitung. Besonders im Falle des für derartige elektro-optische Wechselwirkung wichtigen Substratmaterials Lithiumniobat haben jedoch die ansteuernde Mikrowelle und die optische Welle stark unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten, so daß bei höheren Frequenzen vom Laufleidprinzip bei der Modulation im strengen Sinne nicht mehr gesprochen werden kann.

In F i g. 2 ist die gleiche optische Richtkopplerstruktur mit Elektrodenstücken belegt dargestellt. Auf die dargestellte Weise ist gewährleistet.daß der Richtkoppler nach Art des Alternierenden-Delta-Beta-Prinzips angesteuert werden kann, wie von H. Kogelnik und R. V. Schmidt (Zeitschrift IEEE J. Quantum Electronics, Jahrgang 1976, QE-12, Seiten 396 bis 401) beschrieben wurde. Hierbei sind die Elektroden in einzelne Sektionen aufgeteilt und werden mit alte^rnierender Modulationsspannung angesteuert.

In der Arbeit von R. C. Alferness (Zeitschrift IEEE J. Quantum Electronics, Jahrgang 1981, QE-17, Seiten 946 bis 959) werden diese Schalter- bzw. Moduiationsprinzipien miteinander verglichen: Es ist bekannt, daß der Lauffeldmodulator nach Fig. 1 theoretisch eine um den Faktor drei höher liegende Grenzfrequenz der Modulation erreichen kann, während der Modulator nach Fig.2 die Modulation unter Anwendung des Alternierenden-Delta-Beta-Prinzips erlaubt, die für ein günstiges Auslöschverhältnis zwischen den beiden Ausgängen unverzichtbar erscheint. Da jedoch der Elektrodenabstand g zwischen den beiden kopianaren Elektroden in Fig. 1 auf Grund des vorgegebenen Wellenleiterabstandes festliegt und sich die Elektrodenbreite w aus dem gewünschten Wellenwiderstand — in der Regel 50 Ohm — ergibt, haben die Lauffeldelektroden durch die geringen Abmessungen der Streifenleitung ein unerwünscht hohen Serienwiderstand. Dieser Serienwiderstand wirkt stark bandbegrenzend und reduziert die an den optischen Wellenleitern liegende Feldstärke. Darüber hinaus ist die Realisierung eines vorgegebenen Wellenwiderstandes über eine größere Länge von etwa einigen Zentimetern hinweg bei den äußerst geringen Querabmessungen problematisch.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der Lauffeldleitung — eine prinzipiell erreichbare große Modulationsbandbreite — mit den Vorteilen der konzentrierten Elektrodenstücke — flexible Wahl der Spannungspolarität an den Elektroden — zu verbinden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel in seinen wesentlichen Merkmalen aufgezeichnet: Die koplanare Hochfrequenzieitung ist so dimensioniert, daß sie einen Wellenwiderstand besitzt, der deutlich größer als 50 Ohm, also z.B. 75 Ohm, ist. 50 Ohm ist der Wellenwiderstand, der den meisten technischen Mikrowellcnsystcmen zugrunde liegt. Durch die Belastung mit diskreten Elektroden 4, die sich auf den optischen Wellenleitern befinden und durch Bonddrähte oder andersgeartete Bondverbindungen mit der Hauptleitung verbunden sind, wird der Wellenwiderstand der neuen Gesamtleitung so herabgesetzt, daß sich gerade ein Gesamtwiderstand von 50 Ohm ergibt. Dabei ist zu beachten, daß der Abstand zwischen den einzelnen Elektrodenstücken längs der Leitung gegenüber der Wellenlänge auf der Leitung klein bleiben muß. Wenn Z,, der Wellenwiderstand der kopianaren Leitung ohne Belastung und C_n ihre charakteristische Leitungskapazilät ist. dann ist der effektive Wellenwiderstand ZO der belasteten Leitung

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Z₁.

wenn mit C, die Kapazität der Elektrodenelemente bezeichnet wird. Die für die Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle längs der belasteten Leitung charakteristischen Verzögerungszeit j'_d ergibt sich dabei zu

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wenn mit τα die Verzogerungszeit der unbelasteten Leitung und mit C_e und C₀ die oben angegebenen Kapazitäten bezeichnet werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile lassen sich nun wie folgt angeben:

1. Dadurch, daß die Hochfrequenzleitung nicht mehr an die Abmessungen der optischen Wellenleiter gebunden ist, kann sie größere Querschnittsabmessungen aufweisen. Auf diese Weise ergibt sich ein wesentlich geringerer Serienwiderstand, wodurch ein wesentlicher Nachteil der Lauifeldleitung nach F i g. 1 vermieden wird.

2. Dadurch, daß die Elektrodenabschnitte sich durch kurze Bondverbindungen mit der Hochfrequenzleitung verbinden lassen, kann ohne Schwierigkeiten eine alternierende Spannungspolarität den Elektroden, d. h. ein alternierendes elektrisches Feld den optischen Wellenleitern zugeführt werden. Auf diese Weise wird das vorteilhafte alternierende Delta-Beta-Prinzip mit den Vorteilen einer breitbandigen Lauffeldleitung verbunden.

3. Dadurch, daß die Hochfrequenzleitung neben den optischen Wellenleitern angeordnet ist, kann sie ohne Probleme auf einem anderen dielektrischen Material aufgebracht werden, mit dem das optische Substrat seitlich beschichtet werden kann oder das getrennt neben den optischen Wellenleitern angeordnet ist. Auf diese Weise kann, wenn die Hochfrequenzleitung ζ. B. auf Keramik oder besser noch auf Quarzglas aufgebracht ist und die Elektroden sich auf Lithiumniobat befinden, für die steuernde Hochfrequenzwelle eine solche Phasengeschwindigkeit geschaffen werden, daß die optisehe Welle in den optischen Wellenleitern in Lithiumniobat und die steuernde Welle auf der Hochfrequenzleitung sich in ihren Phasengeschwindigkeiten annähern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 4 dargestellt. Es handelt sich um einen Richtkoppler für eine optische Wellenlänge von 1,05 μηι mit einer Koppelstrecke von etwa 15 mm und 8 Eiekuodenstükken auf den optischen Wellenleitern, die alternierend mit der Koplanarleitung durch endverbindungen verbunden sind. Die wesentlichen Atj-nessungen der Gesamtanordnung sind eingetragen. An die optischen Ein- und Ausgänge der optischen Wellenleiter können andere optische Wellenleiter, z. B. Glasfasern angekoppelt werden. Bei Bondinduktivitäten von z.B. 0,5 η Η ergeben sich für die gezeichnete Anordnung aus Überschlagsrechnungen und auch aus detaillierten Rechnersimulationen elektrische Grenzfrequenzen von 5 bis 6 GHz. Dies ist allerdings keine prinzipielle Frequenzgrenze für den Schalterbetrieb, sondern nur für das Ausführungsbeispiel zutreffend.

Diese Bauelemente eignen sich besonders für Picosekunden-Schalter- und Picosekunden-Modulator- und Picosekunden-Logikbetrieb.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerbare integriert-optische Bauelemente, bestehend aus einem Substrat mit elektrooptischen Eigenschaften, in das optische Wellenleiter z. B. durch Diffusion eingebracht sind und bei dem auf oder neben den optischen Wellenleitern Metallisierungen in Form von mehreren Elektroden aufgebracht sind, die mit elektrischen Spannungen beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß neben den optischen Wellenleitern (1) eine koplanare Mikrowellenleitung (2) angeordnet ist, wobei jeweils eine Elektrode (4) mit einer möglichst kurzen Leitung (3) mit jeweils einem Streifen der Mikrowellenleitung (2) verbunden ist.

2. Bauelemente nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß die koplanare Mikrowellenleitung (2) mit Elektrodengruppen bestehend aus einem Elektrodenpaar von zwei nebeneinanderliegenden Elektroden oder aus mehreren aufeinanderfolgenden Eiektrodenpaaren so alternierend durch kurze Bonddrähte verbunden ist, daß an allen Elektrodenpaaren einer Gruppe eine gleichgerichtete Spannung und an den Elektrodenpaaren der nächst folgenden Gruppe die dazu entgegengesetzt gerichtete Spannung liegt und auf diese Weise ein RichtkopplermodulatorAschalter basierend auf dem Alternierenden-Delta-Beta-Prinzip entsteht.

3. Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die koplanare Mikrowellenleitung (2) z\\ einem Substrat geführt ist. dessen dielektrische Eigenschaften «;o beschaffen sind, daß eine Annäherung der Phasengeschwindigkeit zwischen steuernder Mikrowell" und angesteuerter optischer Welle entsteht.

4. Bauelemente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit elektrooptischen Eigenschaften aus Lithiumniobat und das Substrat für die Mikrowellenleitung (2) z. B. aus Keramik oder Quarz besteht.

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