DE3602653A1 - Planares optisches koppelfeld - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein planares optisches Koppelfeld mit streifenförmigen LichtweIlenleitern, bei dem wenigstens zwei in einer Ebene verlaufende Licht­ wellenleiter in einem bestimmten Winkel zueinander ange­ ordnet sind und im Bereich des Schnittpunktes der Ach­ sen der beiden Lichtwellenleiter eine von einer Elektro­ denkonfiguration überdeckte Zone vorgesehen ist.

Ein solches Koppelfeld ist z. B. aus der DE-OS 33 22 508 als optisch einmodige Streifenwellenleiterkreuzung oder aus dem Aufsatz "Optical Channel Waveguide Switch and Coupler using Total Internal Reflection" abgedruckt in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-14, No. 7, July 1978, S. 513-516, insbesondere Fig. 1 bekannt. Wenn dort die Elektrodenkonfiguration spannungslos ist, dann gelangt dennoch ein Teil der über einen Streifenwellen­ leiter der Kreuzung zugeführten Lichtleistung in den stumpfwinklig abzweigenden Streifenwellenleiter der Anordnung, d. h. bei fehlender Elektrodenspannung ist kein eindeutiger Schaltzustand ohne weiteres zu reali­ sieren.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Kop­ pelfeld der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei fehlender Elektrodenspannung ein eindeutiger optischer Schaltzustand erzielbar ist, d. h. keine optische Energie in unerwünschter Weise in einen abgehenden Lichtwellenleiter eingespeist wird.

Erfindungsgemäß ergibt sich die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß die streifenförmigen Lichtwellenleiter jeweils mit einem Ende an eine optisch leitende, elektrooptisch aktivierbare und zu den Lichtwellen­ leitern koplanare Schicht derart angeschlossen sind, daß sämtliche Mündungen der Lichtwellenleiter in die Schicht jeweils außerhalb der Zielrichtung der Achsen der einzel­ nen Lichtwellenleiter liegen.

Im spannungslosen Zustand der Elektrodenkonfiguration wird daher die ankommende Lichtleistung lediglich in die lichtleitende Schicht eingestrahlt, ohne zur Mün­ dung eines abgehenden streifenförmigen Lichtwellen­ leiters zu gelangen, so daß ein optischer Schalter ohne Verwendung mechanisch bewegbarer Teile erhal­ ten wird, bei dem im Ein- und Auszustand jeweils eindeutige Verhältnisse vorliegen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorge­ sehen sein, daß zwei Gruppen von jeweils zueinander parallel angeordneten streifenförmigen Lichtwellen­ leitern vorgesehen sind.

Auf diese Weise durchläuft die über einen Streifenwellen­ leiter ankommende und in die optisch leitende Schicht eingestrahlte Lichtleistung nacheinander z.B. zwei Zonen, in denen auf elektrooptischem Wege, nämlich mit Hilfe von Elektrodenkonfigurationen, Beugungsgitter induziert werden können, so daß die über einen ankom­ menden streifenförmigen Lichtwellenleiter in die Schicht eingestrahlte Lichtleistung wahlweise, je nachdem welche Elektrodenkonfiguration an Spannung gelegt ist, in einen ersten oder einen zweiten abgehenden Streifenlichtwellen­ leiter abgelenkt werden kann. Dadurch kann vorteilhaft z.B. eine Sendeeinrichtung wahlweise mit einem ersten Empfänger oder einem zweiten Empfänger verbunden werden.

Ferner kann im Rahmen der Erfindung die Verwendung eines interdigitalen Elektrodensystems mit ungleichen Abständen der Elektrodenfinger voneinander und/oder mit gebogenen Elektrodenfingern als Elektrodenkonfiguration vorgesehen sein und/oder daß in den Mündungsbereichen der streifen­ förmigen Lichtwellenleiter fleckaufweitende Elemente vor­ gesehen sind.

Hierdurch können die optischen Verhältnisse des Kop­ pelfeldes noch weiter verbessert werden.

Weiter kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, daß die in der Schicht von einem streifenförmigen Licht­ wellenleiter zu einem Achsenschnittpunkt und von die­ sem zu einem anderen Lichtwellenleiter verlaufenden Lichtwege jeweils gleichlang bemessen sind.

Hierdurch läßt sich der Koppelwirkungsgrad zwischen an­ kommenden und abgehenden Streifenwellenleitern noch gün­ stiger gestalten.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Elektrodenfinger der einzelnen Elektrodenkonfigu­ rationen von der Schicht jeweils durch eine oder mehrere dielektrische Zwischenschichten derart getrennt vorgese­ hen sind, daß dadurch neben einer Verminderung des dämpfenden Einflusses der Elektroden auf die Schicht eine effektive Verstärkung der in die Schicht induzier­ ten Gitter bei unveränderter Elektrodenspannung erhal­ ten wird.

Schließlich kann noch die Verwendung einer LiNbO₃-Schicht zum Aufbau des Koppelfeldes mit nahezu senkrecht zur Licht­ transportebene vorgesehener C-Kristallachse und die Ver­ wendung elektrooptisch in die optisch aktive Schicht in­ duzierten Reflexionsgittern vorgesehen sein, oder die Ver­ wendung einer LiNbO₃-Schicht zum Aufbau des Koppelfeldes mit nahezu parallel zur Transportebene der Lichtsignale angeordneter C-Kristallachse und die Verwendung elektro­ optisch in die optisch aktive Schicht induzierten Trans­ missionsgittern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand einer Figur noch näher erläutert.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung und ver­ größert eine Ansicht von oben auf den Ausschnitt eines planaren Substrates 1. Bei dem Substrat 1 handelt es sich z.B. um eine aus Lithiumniobat bestehende Schicht, in welcher durch Eindiffundierung von Titan Zonen 2 mit er­ höhter Brechzahl ausgebildet sind, die streifenförmige Lichtwellenleiter 3 und eine sich über eine größere Flä­ che erstreckende lichtleitende Schicht 4 bilden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel bilden zwei strei­ fenförmige Lichtwellenleiter 5 eine Gruppe und zwei wei­ tere streifenförmige Lichtwellenleiter 6 eine andere Grup­ pe.

Bei beiden Gruppen verlaufen die Lichtwellenleiter je­ weils parallel zueinander, außerdem ist der Abstand der Lichtwellenleiter 5 der einen Gruppe voneinander gleich groß wie der Abstand der Lichtwellenleiter 6 der ande­ ren Gruppe.

Die Lichtwellenleiter 5 einerseits und 6 andererseits verlaufen in einem bestimmten Winkel geneigt zueinan­ der und münden mit einem Ende in die lichtleitende Schicht 4, wobei in Mündungsbereichen der Lichtwellen­ leiter 5, 6 trichterförmig sich aufweitende Übergangs­ zonen 7 vorgesehen sind.

Die Übergangszonen 7 der Lichtwellenleiter 5, 6 liegen alle auf einer Geraden 8, außerdem sind die Lichtwellen­ leiter 5 der einen Gruppe von den Lichtwellenleitern 6 der anderen Gruppe so getrennt und für sich zusammenge­ faßt vorgesehen, daß die in die Schicht 4 hinein ver­ längerten Achsen 9 der Lichtwellenleiter 5, 6 sich im Bereich der Schicht 4 kreuzen und die Kreuzungspunkte 10 vorzugsweise die Ecken einer Raute 11 bilden.

Oberhalb eines jeden Kreuzungspunktes 10 ist eine z.B. durch Bedampfung des Substrates 1 mit Elektrodenmaterial hergestellte interdigitale Elektrodenanordnung 12 vor­ gesehen.

Durch Anlegen einer Spannung an eine solche Elektroden­ anordnung 12 wird auf elektrooptischem Wege in die Schicht 4 ein Brechzahlgitter induziert, das die z.B. von einem Lichtwellenleiter 5 in die Schicht 4 in Rich­ tung auf einen Kreuzungspunkt 10 eingestrahlte Licht­ leistung auf die Übergangszone 7 eines Lichtwellenleiters 6 umlenkt.

So kann z.B. vom Lichtwellenleiter 5 a in die Schicht 4 eingestrahlte Lichtleistung wahlweise entweder in den Lichtwellenleiter 6 a oder in den Lichtwellenleiter 6 b umgelenkt werden, je nachdem welche Elektrodenanordnung an Spannung gelegt wird. Unter Verwendung gleichausge­ bildeter Übergangszonen 7 ist eine 1 : 1 Abbildung der optischen Felder und damit ein hoher Koppelwirkungsgrad zwischen den Lichtwellenleitern 5, 6 erreichbar, wenn die Lichtwege zwischen einer Übergangszone 7 und einem Kreuzungspunkt 10 jeweils gleich lang bemessen werden.

Anstelle der in der Figur angedeuteten trichterförmig sich aufweitenden Übergangszone 7 können auch planare Linsen, Fresnellinsen, durch Elektrodenstrukturen elektro­ optisch in den Mündungsbereich der streifenförmigen Licht­ wellenleiter 3 induzierte oder durch dielektrische Schicht­ folgen erzeugte chirped-Linsen, oder auch geodätische Lin­ sen vorgesehen werden.

All diese Mittel dienen dazu, um die elektrooptisch in­ duzierten Beugungsgitter in der Schicht 4 optimal zu be­ leuchten bzw. die von diesen Beugungsgittern abgelenkte Lichtleistung wieder optimal in einen abgehenden Licht­ wellenleiter einzuspeisen.

Die in die Schicht 4 induzierten Gitter können sowohl Transmissions- als auch Reflexionsgitter sein, insbe­ sondere homogene Gitter mit geraden, zueinander parallelen Gitterlinien, die untereinander gleiche Abstände aufwei­ sen. Es können aber auch sogenannte chirped-Gitter vor­ gesehen werden, mit geraden, zueinander parallelen Gitter­ linien, die jedoch voneinander unterschiedliche Abstände aufweisen, oder krummlinige Gitter mit gebogenen Gitter­ linien variablen Abstandes.

Ein Koppelfeld auf Lithiumniobatbasis, das für eine Wellenlänge 1,3 µ dimensioniert ist, weist bei einem 5 µ-Abstand der Elektrodenfinger voneinander einen Beugungswinkel ϑ von ca. 3,3° auf. Bei einer an einer Elektrodenanordnung liegenden Spannungsdiffe­ renz von 20 V ist dann jedes Gitter und jede trich­ terförmig aufgeweitete Ubergangszone etwa 5 mm lang zu machen.

Jede interdigitale Elektrodenanordnung kann entweder direkt auf das Substrat 1 aufgebracht oder durch eine oder mehrere dielektrische Zwischenschichten 13 vom Lithiumniobat getrennt vorgesehen werden, wodurch der dämpfende Einfluß der Elektrodenanordnung auf die Schicht 4 vermindert und/oder die effektive Stärke der in die Schicht 4 induzierten Gitter trotz unver­ änderter Elektrodenspannung infolge einer dadurch be­ wirkten Konzentration des optischen Feldes unterhalb der Elektroden vergrößert wird.

Claims (8)

1. Planares optisches Koppelfeld mit streifenförmigen Lichtwellenleitern, bei dem wenigstens zwei in einer Ebene verlaufende Lichtwellenleiter in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind und im Bereich des Schnittpunktes der Achsen der beiden Lichtwellenleiter eine von einer Elektrodenkonfiguration überdeckte Zone vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Lichtwellenleiter (3) jeweils mit einem Ende mit einer optisch leitenden, elektrooptisch aktivierbaren und zu den Lichtwellenleitern (3) koplanaren Schicht (4) derart verbunden sind, daß sämtliche Mündungen der Lichtwellenleiter (3) in die Schicht (4) jeweils außer­ halb der Zielrichtung der Achse (9) einer der streifenför­ migen Lichtwellenleiter (3) liegen.

2. Koppelfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gruppen von jeweils zueinander parallel an­ geordneten streifenförmigen Lichtwellenleitern (5, 6) vorgesehen sind.

3. Koppelfeld nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines interdigitalen Elektrodensystems mit ungleichen Abständen der Elektrodenfinger voneinander und/oder mit gebogenen Elektrodenfingern als Elektroden­ konfiguration.

4. Koppelfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Mündungsbereichen der streifenförmigen Lichtwellenleiter (3) fleckaufweitende Elemente (7) vorgesehen sind.

5. Koppelfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Schicht (4) von einem streifenförmigen Lichtwellenleiter (3) zu einem Achsenschnittpunkt (10) und von diesem zu einem anderen Lichtwellenleiter (3) verlaufenden Lichtwege jeweils gleichlang bemessen sind.

6. Koppelfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenfinger der einzelnen Elektrodenkon­ figurationen von der Schicht (4) jeweils durch eine oder mehrere dielektrische Zwischenschichten (13) derart ge­ trennt vorgesehen sind, daß dadurch neben einer Vermin­ derung des dämpfenden Einflusses der Elektroden auf die Schicht (4) eine effektive Verstärkung der in die Schicht (4) induzierten Gitter bei unveränderter Elek­ trodenspannung erhalten wird.

7. Koppelfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer LiNbO₃-Schicht zum Aufbau des Koppelfeldes mit nahezu senkrecht zur Lichttransport­ ebene vorgesehener C-Kristallachse und durch die Ver­ wendung elektrooptisch in die optisch aktive Schicht induzierten Reflexionsgittern.

8. Koppelfeld nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch die Verwendung einer LiNbO₃-Schicht zum Aufbau des Kop­ pelfeldes mit nahezu parallel zur Transportebene der Lichtsignale angeordneter C-Kristallachse und durch die Verwendung elektrooptisch in die optisch aktive Schicht induzierten Transmissionsgittern.