DE3322508A1

DE3322508A1 - Optisch einmodige streifenwellenleiterkreuzung

Info

Publication number: DE3322508A1
Application number: DE19833322508
Authority: DE
Inventors: Winfried Ing.(grad.) 4358 Haltern Mevenkamp; Andreas Dr.-Ing. 5860 Iserlohn Neyer
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1983-06-23
Filing date: 1983-06-23
Publication date: 1985-01-17

Description

Optisch einmodige Streifenwellenleiterkreuzung
Die Erfindung betrifft eine optisch einmodige Streifenwellenleiterkreuzung.
Sowohl die optische Nachrichtentechnik als auch die optische Sensortechnik benötigen integriert-optische Vier-Tor-Schaltungen, die mit einmodigen Streifenwellenleitern hergestellt werden. Ein optisches Vier-Tor ist dadurch gekennzeichnet, daß es zwei optische Ein- und Ausgänge besitzt.
In der optischen Nachrichtentechnik werden optische Vier-Tore beispielsweise zum Aufbau von schaltbaren optischen Koppelnetzwerken benötigt (M. Kondo et al.: IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-18 (1982), Seiten 1759 - 1765). In der optischen Sensortechnik finden optische Vier-Tore z.B. bei Rotationssensoren eine wichtige Anwendung für die Aufteilung und Zusammenführung von Lichtwellen.
(M.C. Bone und J.W. Parker, First International Conference on Optical Fibre Sensors, London 1983, IEE Conference Publication Number 221, Seiten 143 - 146).
Bisher wurden zur Realisierung integriert-optischer Vier-Tore mit einmodigen Streifenwellenleitern insbesondere schaltbare Richtkoppler verwendet (M. Papuchon et al.: Appl. Phys. Lett. 27 (1975), Seiten 289 - 291). Der Nachteil der Rithtkoppler besteht darin, daß die für ein vollständiges Umschalten des Lichtes vom Eingangsarm in den zweiten Kopplerarm exakt einzuhaltende Koppellänge aufgrund technologisch bedingter Toleranzen nicht reproduzierbar hergestellt werden kann. Um dieses Problem zu beheben, müssen Vielfachelektroden mit benachbarten Abschnitten gegensinniger Verstimmung eingeführt werden (. Kogelnik und R.V. Schmidt: IEEF Journal of Quantum Electronics, QE-12 (1976), Seiten 396 - 401). is notwendige Maß- nahme verursacht jedoch eine vergrößerte Baulänge und führt zu einer komplizierten Ansteuerung der Elektroden, die sich insbesondere im Hochfrequenzbereich nachteilig auswirkt.
Andere bekannte optische Vier-Tore mit einmodigen Streifenwellenleitern sind das schaltbare Interferometer mit zwei Richtkopplern am Ein- und Ausgang (V. Ramaswany et al.: Appl. Phys. Lett., 32 (1978), Seiten 644 - 646), der hybride Wellenleiterkoppler (M. Izutsu et al.: Optics Letters, 7 (1982), Seiten 549 - 551) und der TIR-Schalter (C.S. Tsai et al.: IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-14 (1978), Seiten 513 - 517). Während das schaltbare Interferometer eine sehr aufwendige Struktur besitzt, liegen die Nachteile des hybriden Kopplers insbesondere in der Unsymmetrie der Ausgangswellenleiter, die keinen bidirektionalen Betrieb erlauben und zu unterschiedlichen Koppelwirkungsgraden an identische Monomode-Fasern führen. Ein weiterer Nachteil liegt in der Tatsache, daß es sich hier um ein rein passives Bauelement handelt.
Der TIR-Schalter ist dadurch charakterisiert, daß es sich dabei um einen Schalter für Multimode-Wellenleiter handelt. Soll das Licht eines Monomode-Wellenleiters nach diesem Prinzip umgeschaltet werden, so muß es zunächst mit aufwendigen und langen Koppelkörnern in einem Multimode-Wellenleiter eingekopppelt werden und nach dem Schaltvorgang, der auf dem Prinzip der Totalreflexion an einem elektrooptisch induzierten Brechzahlsprung beruht, wieder in einen Monomode-Wellenleiter überführt werden. Aufgrund dieses Funktionsprinzips entstehen notwendigerweise große Bau längen und große Durchgangsverluste.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein integriert-optisches Vier-Tor mit einwelligen Streifenwellenleitern anzugeben, das als passives und elektrisch steuerbares Bauelement einsetzbar ist, eine einfache Wellenleiter- und Elektrodenstruktur aufweist, einfach hergestellt werden kann und die die beim Stand der Technik angeführten Nachteile nicht besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das integriertoptische Vier-Tor aus zwei identischen, sich kreuzenden dielektrischen einmodigen Streifenwellenleitern besteht.
Die Struktur der Wellenleiterkreuzung ist in Fig. la) dargestellt.
Die Streifenwellenleiter besitzen ein Brechzahlprofil, das die Breite w und die maximale Brechzahlerhöhung an gegenüber der Brechzahl des Substratmaterials besitzt. Die Streifenwellenleiter überkreuzen sich unter dem Winkel Zur Beschreibung der Funktionsweise der Streifenwellenleiterkreuzung wird die Struktur, wie in Fig. lb) skizziert, in die drei Bereiche I - III gegliedert. Die Bereiche I und III stellen zwei Richtkoppler dar, bei denen sich der Abstand zwischen den beiden einmodigen Streifenwellenleitern kontinuierlich ändert. Dieser Abstand ist an den Schnittstellen zwischen den Bereichen I und II und den Bereichen II und III gerade auf Null abgesunken.
Der Wellenleiter des Bereiches II ist dadurch gekennzeichnet, daß er an den Schnittstellen mit den Bereichen I und III aufgrund der fast doppelten Streifenleiterbreite 2w zweimodig, im mittleren Teil aufgrund der nahezu einfachen Breite w jedoch nur einmodig ist.
Die auf die Wellenleiterkreuzung zulaufende Grundwelle mit der Lichtleistung Pe regt im Bereich stärkerwerdender Kopplung die Gleichtaktwelle 11 und die Gegentaktwelle 12 an.
Aufgrund des kontinuierlichen Übergangs von Bereich II in Bereich III werden diese beiden Wellen nahezu verlustfrei in die beiden niedrigsten lateralen Moden 13 bzw. 14 des Wellenleiters im Bereich II überführt. Die Differenz aß zwischen den Phasenkonstanten dieser beiden Moden bedingt bei fortschreitender Ausbreitung eine Oszillation ihrer relativen Phasenlagen. Diese relative Phasenlage am Ende des Bereiches II bestimmt nun, mit welchen Amplituden und Phasenlagen die Grundwellen in den beiden Ausgangswellenleitern angeregt werden. Auch der Übergang von Bereich II in den Bereich III ist aufgrund der kontinuierlichen Aufweitung der beiden Ausgangswellenleiter nahezu verlustfrei.
Aus dem Prinzip der Überlagerung der beiden niedrigsten lateralen Moden lassen sich die Lichtleistungen po und P0 in den beiden Ausgangsarmen in guter Näherung analytisch angeben: (1) P = P e -wobei folgende Bezeichnungen gelten: Lichtleistung im Lichtleistung im geradeaus durchgehenden Arm, PO : Lichtleistung im Lichtleistung im überkreuzten Arm, Pe : Eingangslichtleistung, : : Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden lateralen Moden, L : Länge des Überschneidungsbereiches.
L kann in Abhängigkeit von der Wellenleiterbreite w und dem Überkreuzungswinkel a wie folgt angegeben werden: w (2) sin(α/2) (2) Aus dieser Beziehung ergibt sich im Zusammenhang mit der Beziehung (1), daß jedes Lichtaufteilungsverhältnis p / PO zum einen durch eine Variation von A6, das von den Wellenleiterparametern abhängt, und zum anderen durch die Wahl des Überkreuzungswinkels a eingestellt werden kann. Eine Verbesserung der Wellenführung für beide Moden im Bereich II kann dadurch erreicht werden, daß der Überschneidungsbereich der beiden Streifen leiter eine doppelte Brechzahlerhöhung 2 an aufweist (Fig. 2). Dadurch werden insbesondere die Abstrahlverluste der unsymmetrischen Mode verringert. Ein weiterer Vorteil eines 2n-Bereiches besteht darin, daß aufgrund der geringeren Verluste der anti symmetrischen Mode auch die Übersprechdämpfung im Falle schaltbarer Wellenleiterkreuzungen erhöht wird.
Das Funktionsprinzip der Wellenleiterkreuzung mit einmodigen Streifenwellenleitern erlaubt es, auch nach der Herstellung einer Wellenleiterkreuzung eine Änderung des Aufteilungsverhältnisses / / P» zu erreichen. Das ist mit Hilfe aller physikalischen Effekte möglich, die in der Lage sind, die Differenz der Ausbreitungskonstanten aß zu verändern.
Erfindungsgemäß werden dazu Anordnungen angegeben, bei denen die Brechzahl des Streifenwellenleiters in einem streifenförmigen Bereich des Überschneidungsgebietes geändert wird, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Dieser zusätzliche streifenförmige Bereich verläuft in der Längsrichtung parallel zur Längsachse B - B' der Wellenleiterkreuzung (Fig. 3a) und ist in der Breite symmetrisch zur Streifenwellenleitermittellinie C - C' (Fig. 3b). Die Breite d dieses Streifens ist klein gegenüber der Streifenwellenleiterbreite w. Seine Länge L ist identisch mit der Länge des überschneidungsbereichs.
Aufgrund dieser Anordnung wird die Ausbreitungskonstante des symmetrischen Modus 13 wesentlich stärker beeinflußt als die des antisymmetrischen Modus 14, der im Bereich der maximalen Brechzahländerung gerade einen Nulidurchgang der Feldverteilung verzeichnet. Das so erzeugte Aß zwischen den Ausbreitungskonstanten beider Moden führt gemäß Beziehung (1) zu einer Änderung der Ausgangslichtleistungen p und PO.
Diese Änderungen können z.B. zum Abgleich des Aufspaltungsverhältnisses PO / P0 oder für Schaltvorgänge zwischen p und P ausgenutzt werden.
Die einfache Herstellung der Wellenleiterkreuzung in den unterschiedlichsten Materialien (z.B. Glas, LiNbO3, GaAs) erlaubt die Realisierung zahlreicher neuartiger Ausbildungen der Erfindung, die in den Ansprüchen 1 bis 9 beschrieben sind und in den Ausführungsbeispielen der Erfindung näher erläutert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine integriert-optische Wellenleiterkreuzung mit zwei einmodigen Streifenwellenleitern, und zwar a) die Struktur, b) das Funktionsprinzip Fig. 2 zeigt eine Wellenleiterkreuzung wie in Fig. 1, jedoch mit einer nahezu doppelten Brechzahlerhöhung im Überschneidungsbereich.
Fig. 3 zeigt eine Wellenleiterkreuzung mit zusätzlich eingeprägtem Brechzahistreifen a) Aufsicht b) Schnitt A - A' Fig. 4 zeigt eine thermooptisch schaltbare Wellenleiterkreuzung.
Fig. 5 zeigt eine elektrooptisch schaltbare Wellenleiterkreuzung auf Substraten, bei denen a) das elektrische Feld parallel zur Substratoberfläche, b) das elektrische Feld senkrecht zur Substratoberfläche ausgenutzt wird.
Fig. 3 zeigt eine Streifenwellenleiterkreuzung, der nach der Herstellung der Wellenleiterstruktur 31 in einem zweiten Prozeß ein Streifen 32 mit einer gegenüber der Umgebung geänderten Brechzahl überlagert wird; Fig. 3a zeigt die Aufsicht auf die Struktur. Die Breite d des Streifens 32 ist klein gegenüber der Streifenwellenleiterbreite w.
Seine Länge L ist identisch mit der Länge des Überkreuzungsbereichs der beiden Streifenwellenleiter. Die Schnittlinie B - B' ist die Längsachse der Wellenleiterkreuzung.
Fig. 3b zeigt einen Schnitt durch den Überkreuzungsbereich entlang der Linie A - A'. Eingetragen sind die Brechzahlverteilungen des Wellenleiters 31 und des überlagerten Streifens 32.
Fig. 4 zeigt eine Streifenwellenleiterkreuzung in einem Material, das den thermooptischen Effekt zeigt, wie z.B. Glas (M. Haruna und J. Koyama, Applied Optics, 21 (1982), Seiten 3461 - 3465).
Das Nickel-Chrom Heizelement 42 besitzt die Breite d, die kleiner als die Wellenleiterbreite w ist, und die Länge L, die mit der Länge des Überschneidungsbereichs der beiden Wellenleiter identisch ist. Der durch das Heizelement geführte Strom 42 bewirkt aufgrund des thermooptischen Effekts eine Brechzahländerung im Wellenleiter, die direkt unter dem Heizelement maximal ist.
Fig. 5a zeigt eine Streifenwellenleiterkreuzung in einem elektrooptischen Material, dessen größter elektrooptischer Koeffizient durch elektrische Felder parallel zur Substratoberfläche ausgenutzt wird, wie das z.B. in y- bzw. x-geschnittenen LiNb03- und LiTaO3-Kristallen der Fall ist.
Die zwei Koplanar-Elektroden 51 besitzen einen Abstand d, der klein gegenüber der Wellenleiterbreite w ist. Mit einer an diese Elektroden angelegten Spannung wird die Brechzahl des Wellenleiters im Bereich zwischen den Elektroden aufgrund des elektrooptischen Effekts verändert.
Fig. 5b zeigt eine Streifenwellenleiterkreuzung in einem elektrooptischen Material, dessen größter elektrooptischer Koeffizient mit Hilfe von elektrischen Feldern senkrecht zur Substratoberfläche ausgenutzt wird, wie das z.B. in z-geschnittenen LiNb03-und LiTa03-Kristallen der Fall ist.
Die Breite d der Mittelelektrode der Dreielektrodenstruktur 52 ist klein gegenüber der Wellenleiterbreite w. Mit einer an diese Elektrodenanordnung angelegten Spannung U wird die Brechzahl des Wellenleiters insbesondere unter der Mittelelektrode aufgrund des elektrooptischen Effekts verändert.

Claims

Patentansprüche )IStreifenwellenleiterkreuzung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t ßsich zwei einmodige Streifenwellenleiter, die identische Brechzahiprofile besitzen, unter einem kleinen Winkel kreuzen.
2) Streifenwellenleiterkreuzung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die maximale Brechzahlerhöhung im Überschneidungsbereich beider Streifenleiter nicht größer ist als die maximale Brechzahlerhöhung der einzelnen Streifenleiter.
3) Streifenwellenleiterkreuzung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die maximale Brechzahlerhöhung im Überschneidungsbereich beider Streifenleiter nahezu doppelt so groß ist wie die maximale Brechzahlerhöhung der einzelnen Streifenleiter.
4) Streifenwellenleiterkreuzung nach Anspruch 2 und 3, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß dem bereits hergestellten Brechzahlprofil der Streifenwellenleiterkreuzung ein weiteres streifenförmiges Brechzahlprofil im Überschneidungsgebiet beider Streifenwellenleiter überlagert wird, wobei dieses überlagerte Brechzahlprofil parallel und symmetrisch zur Längsachse der Wellenleiterkreuzung verläuft und eine Breite besitzt, die kleiner als die der Streifenwellenleiter ist.
5) Streifenwellenleiterkreuzung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das überlagerte streifenförmige Brechzahlprofil permanent ist.
6) Streifenwellenleiterkreuzung nach Anspruch 5, g e k e n n -z e i c h n e t durch ein ionenausgetauschtes Brechzahlprofil.
7) Streifenwellenleiterkreuzung nach Anspruch 5, g e k e n n -z e i c h n e t durch ein eindiffundiertes Brechzahlprofil.
8) Streifenwellenleiterkreuzung nach Anspruch 4, g e k e n n -z e i c h n e t durch Einrichtungen, die das überlagerte streifenförmige Brechzahlprofil thermooptisch erzeugen.
9) Streifenwellenleiterkreuzung nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h n e t durch Einrichtungen, die das überlagerte streifenförmige Brechzahiprofil elektrooptisch erzeugen.