DE3626060C2

DE3626060C2 - Polarisationsunabhängiger optoelektronischer Koppler

Info

Publication number: DE3626060C2
Application number: DE3626060A
Authority: DE
Inventors: Per Olov Granestrand
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1985-08-15
Filing date: 1986-08-01
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2006-08-02
Also published as: FR2586303B1; GB8619964D0; JPH0758375B2; GB2179465A; JPS6239826A; SE8503825L; US4756588A; SE8503825D0; DE3626060A1; FR2586303A1; GB2179465B; SE450173B

Description

Die Erfindung betrifft einen polarisationsunabhängigen optoelektronischen Koppler mit dem im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

In der integrierten Optik können Komponenten, z. B. Richtungskoppler und Modulatoren, in faseroptische Systeme für die Informationsübertragung einbezogen sein. Diese Komponenten umfassen einen Wafer aus optoelektronischem Material, der Lichtwellenleiter aufweist, die in die Waferoberfläche eindiffundiert sind. Wird zur Informationsübertragung beispielsweise ein Richtungskoppler verwendet, kann ein übertragenes oder gesendetes Signal an jeden der Ausgänge des Kopplers angeschlossen sein.

Im allgemeinen weisen die Komponenten den Nachteil auf, daß Licht mit wohldefinierter Polarisation erforderlich ist, daß dieses Schalten zufriedenstellend funktioniert. Wenn der Polarisationszustand intermediär ist, kann das übertragene Signal geteilt werden zwischen den Ausgängen, so daß ein Fehler in der Signalübertragung im Koppler auftritt. Ein wohldefinierter Polarisationszustand bei den übertragenen Lichtsignalen kann aufrecht erhalten werden, wenn die Übertragung mit Verwendung von optischen Fasern stattfindet, welche den Polarisationszustand bewahren. Diese Fasern dämpfen jedoch die Lichtsignale recht stark und sind obendrein teuer. Der Polarisationszustand kann auch aufrecht erhalten werden durch die übertragenen Signale, welche zu ihrer Quelle rückgekoppelt werden, welches jedoch ein Regelsystem erfordert. Diese Schwierigkeiten in der Übertragung können vermieden werden, dadurch, daß die optischen Komponenten unabhängig von der Polarisation gemacht werden. In Appl. Phys. Letters 35 (10), 15. November 1979, Seiten 748-750 von R. C. Alferness, "Polarisationsunabhängiger optischer Richtungskoppler-Schalter unter Verwendung von gewichteter Kopplung" wurde ein polarisationsunabhängiger optischer Richtungskoppler vorgeschlagen, welcher jedoch eine große Genauigkeit in der Herstellung der Wellenleiter erfordert.

Im Journal of Lightwave Technology, Band LT-2, No. 1, Februar 1984 von Leon Mc Caughan, "Niedrig-Verlust polarisationsunabhängige elektro-optische Schalter bei λ 1,3 µm" wurde ein polarisationsunabhängiger optischer Koppler vorgeschlagen, welcher etwas einfacher ist als der gerade zuvor erwähnte, welche jedoch schlechtere Schalteigenschaften aufweist.

Ein großer gemeinsamer Nachteil der opto-elektronischen Komponenten dieser beiden Literaturstellen ist der, daß die obere Grenzfrequenz für die übertragenen Lichtimpulse niedrig ist. Dies liegt an den Wellenleitern, welche in Bezug auf die Kristallstruktur so orientiert sind, daß zwei in rechten Winkeln zueinander verlaufende Polarisationsrichtungen in einer Lichtwelle durch unterschiedliche Brechungsindizes in den Wellenleitern beeinflußt werden. Die beiden Polarisationsrichtungen laufen daher durch die Wellenleiter mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, so daß eine Impulsverlängerung auftritt, was die obere Grenzfrequenz limitiert.

Aus der Zeitschrift "Applied Optics", Vol. 15, No. 10, Oktober 1976, Seiten 2440-2453, ist ein optoelektronischer Richtungskoppler bekannt, bei dem die optische Achse sich in einer Achse befindet, welche die Longitudinalrichtung der Wellenleiter einbezieht, und bei dem in einem aus Lithiumniobat gebildeten Wafer die kristallografische c-Achse bevorzugt einen Winkel von 14° mit der Waferoberfläche bildet, während die a-Achse aufgrund der Kristallstruktur des Wafermaterials sechs alternative Positionen mit einem Zwischenabstand von jeweils 60° annehmen kann, von denen eine parallel zur Ebene der Waferoberfläche ist. Bei dem dort beschriebenen Richtungskoppler sind die Elektroden neben den Lichtwellenleitern angeordnet und erzeugen ein elektrisches Feld, das im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Kopplers verläuft. Die Herstellung eines derartigen Kopplers erfordert eine hohe Fertigungsgenauigkeit, was entsprechend hohe Gestehungskosten verursacht.

Demgegenüber ist aus der Zeitschrift "Applied Optics", Vol. 16, No. 8, August 1977, Seiten 2166-2170, ein polarisationsunabhängiger optoelektronischer Richtungskoppler mit einem monokristallinen Wafer aus Lithiumniobat als optoelektronischem Material bekannt, bei dem sich das Licht in Lichtwellenleitern in der kristallografischen x-Achse ausbreitet und Hauptelektroden vorgesehen sind, welche die Wellenleiter bedecken. Zusätzlich hierzu sind Sekundärelektroden vorhanden, die jeweils neben den Hauptelektroden angeordnet sind, wobei elektrische Felder erzeugt werden können, die in jedem Wellenleiter rechtwinklig zur Waferoberfläche sind. Die obere Grenzfrequenz ist hierbei verhältnismäßig begrenzt.

Aus der US-PS 42 91 939 ist ein polarisationsunabhängiger optoelektronischer Koppler bekannt, bei dem in der Nähe von Wellenleitern Elektroden derart angeordnet sind, daß in einem Wellenleiterkanal ein elektrisches Feld im wesentlichen horizontal und in einem weiteren Wellenleiterkanal ein elektrisches Feld im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen polarisationsunabhängigen optoelektronischen Koppler zu schaffen, der eine vergleichsweise hohe obere Grenzfrequenz zuläßt und mit verhältnismäßig begrenztem Fertigungsaufwand herstellbar ist, trotzdem aber zufriedenstellende Kopplungsergebnisse liefern kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 einen üblichen optoelektronischen Koppler in perspektivischer Darstellung, von oben gesehen,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen optoelektronischen Koppler in perspektivischer Darstellung, von oben gesehen,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Koppler mit seinen Elektroden,

Fig. 4 in schematischer Weise die hexagonale kristalline Struktur von Lithiumniobat,

Fig. 5 ein Rotationsellipsoid, welches die Werte des Brechungsindex von Lithiumniobat beschreibt,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Richtungskopplers, wobei die Achsen des kristallinen Materials erfindungsgemäß orientiert sind,

Fig. 7 in schematischer Weise und perspektivisch einen Richtungskoppler mit einer weiteren erfindungsgemäßen Orientierung der Achsen des kristallinen Materials, und

Fig. 8 einen erfindungsgemäßen Richtungskoppler mit geteilten Elektroden.

Ein bekannter opto-elektronischer Richtungskoppler ist in Fig. 1 gezeigt und umfaßt einen monokristallinen Wafer aus opto-elektronischem Material, gewöhnlich Lithiumneobat oder Lithiumtantalat. An seiner oberen Oberfläche 2 weist der Wafer zwei Wellenleiter 3 auf, welche hergestellt werden können durch Diffundieren von Titan in die Oberfläche des Wafers. Die Wellenleiter weisen zwei Eingänge 4 an einer ebenen Endoberfläche 6 des Wafers und Ausgänge 5 am anderen Ende auf. Eine Lichtwelle, welche in einen der Eingänge 4 über eine optische Faser 7 eintritt, kann zwischen die Ausgänge 5 verteilt bzw. aufgeteilt werden. Dieses wird konventionell durch gekoppelte elektromagnetische Schwingungen bewerkstelligt, und zwar zwischen den Wellenleitern 3 längs ihres Koppelbereiches bzw. ihrer Wechselwirkungslänge L. Der Grad der Kopplung zwischen den Wellenleitern kann gewählt werden, und zwar durch Wahl des Abstandes d zwischen ihnen. Eine Änderung der Kopplungslänge wird so ermöglicht, wobei dies die Länge längs der Wechselwirkungslänge L ist, die für eine Lichtwelle in einem Wellenleiter erforderlich ist, um vollständig zum anderen Wellenleiter übergeschaltet zu werden. Der Abstand d kann so eingestellt werden, daß die Kopplungslänge mit der Länge L der Wechselwirkungslänge zusammenfällt, wobei eine Lichtwelle, welche in den Eingang eines Wellenleiters gelangt, dann durch den Ausgang des anderen Wellenleiters ausgesendet wird. Der Grad der Kopplung zwischen den Wellenleitern kann durch den Brechungsindex des Kristalls beeinflußt werden, welcher durch ein elektrisches Feld geändert wird, das zwischen den Elektroden 8 längs der Wechselwirkungslänge L angelegt ist. Die Feldstärke kann so gewählt werden, daß die Kopplung zwischen den Wellenleitern aufhört, wodurch eine Lichtweile, die am Eingang eines Wellenleiters eintritt, vom Ausgang des gleichen Wellenleiters gesendet wird. Wie oben erwähnt, besteht hier der Wunsch, die ankommende Lichtwelle zwischen die Ausgänge des Richtungskopplers unabhängig von dem Polarisationszustand der Lichtwelle zu steuern. Es ist außerdem wünschenswert, daß der Richtungskoppler einfach ist und gestattet, daß die ankommende Lichtwelle eine hohe Impulsfrequenz aufweist. Diese Aufgaben werden durch einen Richtungskoppler erfüllt, der nun in Verbindung mit einem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben wird. Der Richtungskoppler umfaßt konventionell einen Wafer 11 aus opto-elektronischem Material mit zwei Wellenleitern 13 an seiner oberen flachen Oberfläche 12. Die Wellenleiter haben Eingänge 14 an einer Endoberfläche 16 des Wafers und Ausgänge 15 an ihrer anderen Endoberfläche 16. In Übereinstimmung mit der Erfindung ist der Wafer 11 in Bezug auf seine kristalline Struktur in besonderer Weise orientiert, was in Verbindung mit den Fig. 4, 5 und 6 näher beschrieben wird.

Ebenso weist der Richtungskoppler in Übereinstimmung mit der Erfindung an seiner oberen Oberfläche 12 Hauptelektroden 17 und Sekundärelektroden 18 längs der Wechselwirkungslänge L der Wellenleiter auf, wobei diese Elektroden im Querschnitt in Fig. 3 veranschaulicht sind. Die Wellenleiter 13 haben einen etwas größeren Brechungsindex als das Kristallmaterial im Wafer und sind durch einen Pufferüberzug 19 abgedeckt. Der Brechungsindex des letzteren ist etwas geringer als der des Wafermaterials mit der Folgewirkung, daß das Licht eine gleichmäßigere bzw. einheitlichere Leistungsverteilung über den Querschnitt der Wellenleiter 13 aufweist. Beispiele von geeignetem Material für den Pufferüberzug sind Cadmiumoxid oder Siliziumnitrid, wenn der Richtungskoppler aus Lithiumniobat hergestellt ist. Die Hauptelektrode 17 sind oben auf dem Pufferüberzug plaziert und können mit einer Spannungsquelle mit der Polspannung U_h über elektrische Verbindungsleiter 21 verbunden sein. Mit dieser angeschlossenen Spannungsquelle läuft ein elektrisches Hauptfeld E_h durch den Kristall zwischen den Hauptelektroden und gelangt durch die Wellenleiter, um ihren Brechungsindex zu beeinflussen. Von den Hauptelektroden entfernt erstrecken sich Sekundärelektroden 18 längs der Oberfläche des Wafers parallel zu den Hauptelektroden und sind mit elektrischen Verbindungsleitern 22 versehen. Die Leiter 21 und 22 können in Paaren mit Spannungsquellen mit Polspannungen U₁ und U₂ jeweils verbunden sein, wobei elektrische Sekundärfelder E₁ und E₂ jeweils erzeugt werden, welche durch die entsprechenden Wellenleiter 13 passieren. Die Richtung des elektrischen Hauptfeldes E_h weicht von den Richtungen der Sekundärfelder in den entsprechenden Wellenleitern ab. Die Richtung des resultierenden Feldes durch die Wellenleiter kann durch Änderung der Spannungen U₁ und U₂ für die Sekundärelektroden eingestellt werden. Die Wichtigkeit dieser Einstellungseigenschaft und Möglichkeit wird weiter unten in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben.

Es wurde oben erwähnt, daß der erfindungsgemäße Wafer 11 eine besondere Orientierung in bezug auf die Kristallstruktur des Materials in ihm aufweisen soll. Das Wafermaterial, z. B. Lithiumniobat, weist eine Kristallstruktur auf, die schematisch in Fig. 4 gezeigt ist, in der darüber hinaus die Orientierung eines rechtwinkligen rechtshändigen Koordinatensystems X, Y, Z in bezug auf die hexagonale Einheitszelle dargestellt ist, sie typisch für das Material ist, und zwar mit ihrem zugeordneten kristallographischen a, b, c Koordinatensystem. Die Achsen in diesem Koordinatensystem wurden so ausgewählt, daß die X-Achse in Richtung der kristallographischen a-Achse und die Z-Achse in Richtung auf die kristallographische c-Achse weist, welches die optische Achse ist. Eine näherkommende Beschreibung der Kristallstruktur für Lithiumniobat findet man z. B. in J. Phys. Chem. Solids, Pergamon Press 1966, Band 27, Seiten 997 bis 1012, "Ferroelektrisches Lithiumniobat, 3. Einkristall Röntgenstrahlbeugungsstudie bei 24°C". Lithiumniobat weist Doppelbrechungsindizes auf. Die Größe des Brechungsindex wird durch ein Rotationsellipsoid wie in Fig. 5 dargestellt beschrieben. Der Schnitt des Ellipsoids in der X-Y-Ebene ist ein Kreis und sein Schnitt in der X-Z-Ebene ist eine Ellipse, deren Hauptachse der Durchmesser des Kreises ist. Ein monochromatisches Lichtbündel P1 in Richtung der Z-Achse wird im Kristall durch einen Brechungsindex von einer Größe beeinflußt, die dem Radius des Kreises entspricht. Die Größe des Brechungsindex ist entlang der Z-Achse unabhängig von der Lichtbündelpolarisationsrichtung. Sämtliche Polarisationsrichtungen des Lichtbündels bewegen sich durch den Kristall mit dem gleichen Wert. Ein linear d. h. in verschiedenen Ebenen polarisiertes monochromatisches Lichtbündel P2 in der X-Y-Ebene wird durch einen Brechungsindex beeinflußt, dessen Größe vom Neigungswinkel α der Polarisationsebene in Bezug auf die X-Y-Ebene abhängt. Die Lichtstrahlen, die die gleiche Richtung, jedoch unterschiedliche Polarisationsebenen, aufweisen, bewegen sich durch den Kristall mit unterschiedlichen Werten. Das Ergebnis hiervon ist, daß ein Lichtimpuls, welcher Licht mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen enthält, gestreckt bzw. verlängert wird, wenn er den Kristall passiert, wenn die Richtung des Lichtbündels merklich von der Z-Achsenrichtung abweicht. Andererseits begrenzt die Impulsverlängerung die höchste Impulsfrequenz, mit der eine aus dem Kristallmaterial hergestellte Komponente arbeiten kann. Um eine Komponente mit einer höheren oberen Impulsfrequenz zu erhalten, wird die Orientierung des Wafers 11 so ausgewählt, daß die Richtung der Wellenleiter 13 im wesentlichen mit der der Z-Achse übereinstimmt, was beispielhaft in Fig. 6 gezeigt ist. Die Schwingungs- oder Oszillationsmoden in einer Lichtwelle, der TE-Modus mit der Polarisationsebene in rechten Winkeln zur oberen Ebene 12 und der TM-Modus mit der Polarisationsebene in der Ebene der oberen Oberfläche weisen dann einen gemeinsamen Ausbreitungswert in den Wellenleitern 13 auf.

Es wurde in Verbindung mit Fig. 1 erwähnt, daß der Kopplungsgrad zwischen den Wellenleitern 3 des Richtungskopplers beeinflußt werden kann durch ein elektrisches Feld im Kristall. Das elektrische Feld ändert die Form des Brechungsindexellipsoids, welches in Fig. 5 gezeigt ist, was als Pockel'S-Effekt für schwache elektrische Felder bekannt ist. Eine detailliertere Beschreibung dieses Effektes findet man Kaminov, "Einführung in opto-elektronische Vorrichtungen", Academic Press, New York und London 1974. Die Änderung wird mathematisch für den allgemeinsten dreidimensionalen Fall beschrieben, und zwar durch einen Tensor 3. Grades mit 27 Tensorelementen. Diese sind gewöhnlich mit r_{i, j, k} bezeichnet, wobei die Indizes i, j und k die Werte 1, 2 oder 3 annehmen können. Die Indizes beziehen sich auf ein rechtwinkliges rechtshändiges Koordinatensystem mit den Achsen x₁, x₂ und x₃, deren Richtungen so ausgewählt sind, wie dies in Fig. 6 zu sehen ist. Die x₁-Achse ist parallel zur oberen Oberfläche 12 und rechtwinklig zu den Wellenleitern 13. Die x₂-Achse ist rechtwinklig zur oberen Oberfläche 12 und die x₃-Achse verläuft parallel zu den Wellenleitern 13. Die Tensorelemente r_{i, j, k} haben die physikalische Dimension Länge pro elektrische Potentialdifferenz (Meter pro Volt), welche ein Maß der Änderung im Kopplungsgrad zwischen den Schwingungsmoden ist, erzielt durch das elektrische Feld. Der allgemeinste Fall, bei dem alle 27 Elemente des Tensors von Interesse sind, wird beträchtlich für den Spezialfall vereinfacht, der sich auf den vorliegenden Richtungskoppler gemäß der Erfindung bezieht. Gemäß Fig. 6 erstrecken sich die Wellenleiter in x₃-Achsenrichtung, so daß eine Lichtwelle im Wellenleiter elektrische Feldvektoren nur in der x₁-x₂-Ebene aufweist. In ähnlicher Weise weisen die elektrischen Felder E₁, E₂ und E_h, welche zwischen den Elektroden angelegt sind, nur Komponenten in der x₁-x₂-Ebene auf, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Das Problem wird somit auf zwei Dimensionen verringert, so daß die Anzahl der Elemente r_{i, j, k}, welche hierbei von Interesse sind, auf 8 verringert werden, nämlich

r_12,1, r_12,2, r_21,1, r_21,2, r_11,1, r_11,2, r_22,1, r_22,2.

Die Zahl der Elemente wird weiterhin verringert, wenn aus Symmetriegründen r_12,1 = r_21,2 und r_12,2 = r_21,2 ist.

Die verbleibenden Tensorelemente r_{i, j, k} beschreiben wie der Brechungsindex im Wafer 11 nach den Fig. 2 und 6 durch das äußere elektrische Feld E_h, E₁ und E₂ geändert wird. Diese Änderungen des Brechungsindex beeinflussen den Kopplungsgrad zwischen den Oszillationsmoden TM und TE längs der Wechselwirkungslänge L₁ der beiden Wellenleiter 13. Die Größe der Tensorelemente in den unterschiedlichen Orientierungen des Wafers 11 wird durch die Koordinatentransformationen zwischen den beiden Systemen der Koordinaten X, Y, Z und x₁, x₂ und x₃ bestimmt.

Wie oben erwähnt, ist es wünschenswert, daß der Richtungskoppler unabhängig von der Polarisation ist. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird dieser Wunsch durch die Orientierung des monokristallinen Wafers 11 erfüllt, welcher in der folgenden Weise ausgewählt wird. Das Tensorelement r_11,2 beschreibt die Brechungsindexänderung, welche die Kopplung zwischen den TE-Moden in zwei Wellenleitern 13 bestimmt. Außerdem ist der gleiche absolute Wert als Tensorelement r_22,2 gegeben, welcher die Kopplung zwischen den TM-Moden in entsprechender Weise bestimmt. Die Tensorelemente r_11,1, r_22,1 und r_12,2 weisen sämtlich die Werte 0 auf. Durch Ausführung der vorerwähnten Koordinatentransformationen kann gezeigt werden, daß die Wahl solcher Tensorelemente für das optelektronische Kristallmaterial, welches hier in Frage steht, möglich ist. Es wurde jedoch festgestellt, daß das Element r_12,1, welches die Kopplung zwischen den TM- und TE-Moden bestimmt, von 0 abweicht. Wenn diese Kopplung zwischen den beiden getrennten Moden vorhanden ist, bedeutet dies, daß der Richtungskoppler nicht polarisationsunabhängig ist.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird dieser Kopplung mit Hilfe der elektrischen Sekundärfelder E₁ und E₂ entgegengewirkt, was in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde. Die Stärke der Sekundärfelder kann geändert werden, so daß die Richtung des resultierenden Feldes durch die Wellenleiter 13 rechtwinklig ist zu der oberen Oberfläche 12 des Wafers 11. Die Wirkung auf den Brechungsindex des Kristalls, dargestellt durch das Tensorelement r_12,1 wird hierdurch gesperrt, so daß die Kopplung zwischen den TE- und TM-Moden völlig verschwindet. Durch die oben beschriebene Auswahl der Orientierung des Wafers 11 wird nicht nur die Forderung erfüllt, daß der Richtungskoppler polarisationsunabhängig ist, sondern auch die Forderung, daß die Richtung der Wellenleiter im wesentlichen mit der Richtung der optischen Achsen, wie bereits in Verbindung mit Fig. 5 erwähnt, übereinstimmt, was ausführlicher für einen Richtungskoppler in Lithiumniobat beschrieben wird. Wenn die oben erwähnten Koordinatentransformationen zwischen den System x₁, x₂, x₃ und X, Y, Z für dieses Material ausgeführt worden sind, werden im wesentlichen zwei getrennte Orientierungen des monokristallinen Wafers erhalten. In Fig. 6 ist eine dieser Orientierungen gezeigt, in der die X-Achse die gleiche Richtung aufweist wie die x₁-Achse. Die Y-Achse weist die gleiche Richtung wie die x₂-Achse auf. Ebenso weist die Z-Achse die gleiche Richtung auf wie die x₃-Achse. Die Tensorelemente haben dann die folgenden Werte:

r_11, = 0
r_22,1 = 0
r_12,1 = 5,7 × 10^-12 m/v
r_12,2 = 0
r_11,2 = 5,7 × 10^-12 m/v
r_22,2 = 5,7 × 10^-12 m/v.

Aufgrund der Symmetrieeigenschaften, die für Lithiumniobat gelten, gibt es weitere Orientierungen für den monokristallinen Wafer 11, welche äquivalent sind der Orientierung, die in Fig. 6 gezeigt sind. In einem solchen Fall weist die Z-Achse eine ungeänderte Richtung auf, während die X-Achse sechs jeweils um 60° gegeneinander verdrehte Positionen aufweist, von denen eine Position in Fig. 6 gezeigt ist. Die zweite dieser beiden Orientierungen ist in Fig. 7 gezeigt. Ein monokristalliner Wafer 31 weist Wellenleiter 33 auf seiner oberen flachen Oberfläche 32 in einer Weise auf, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Die Orientierung des Koordinatensystems x₁, x₂ und x₃ ist ebenfalls aus Fig. 6 ersichtlich. Das kristallographische Koordinatensystem X, Y, Z ist in der folgenden Weise orientiert. Die X-Achse ist parallel zur x₁-Achse und zeigt in negativer Richtung. Die Z-Achse befindet sich in der x₂-x₃-Ebene und weicht nach oben in bezug auf die x₃-Achse in einem Winkel von β = 10,15° ab. Die Tensorelemente haben die folgenden Werte:

r_11,1 = 0
r_22,1 = 0
r_21,1 = 11,25 × 10^-12 m/v
r_12,2 = 0
r_11,2 = 7,4 × 10^-12 m/v
r_22,2 = 7,4 × 10^-12 m/v.

Aufgrund der Symmetrieeigenschaften von Lithiumniobat gibt es auch hier äquivalente Orientierungen des monokristallinen Wafers 3. Die Z-Achse weist die in Fig. 7 gezeigte Richtung auf und befindet sich in der x₂-x₃-Ebene und ist nach unten um einen Winkel β gerichtet wie durch den gestrichelten Pfeil angedeutet. Die X-Achse weist Positionen mit 60° Zwischenabstand auf, von denen eine Position die in Fig. 7 gezeigte ist, wobei die X-Achse parallel zur oberen Oberfläche des Wafers ist.

In den beiden Ausführungsbeispielen der beschriebenen Art ist für einen Lithiumniobat-Richtungskoppler die Orientierung des monokristallinen Wafers und die Größe der Tensorelemente anwendbar, wenn die Lichtwellenlänge λ = 1,3 µm ist. In beiden Ausführungsformen breitet sich das Licht in den Wellenleitern im wesentlichen in Richtung der optischen Achse, der Z-Achse, aus, so daß die Lichtwellen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen sich mit gleichem Wert ausbreiten. Die zwei Tensorelemente r_11,2 und r_22,2 haben den gleichen absoluten Wert, so daß die Kopplung zwischen den TE-Moden und den TE-Moden in zwei Wellenleitern durch die elektrischen Felder durch die Wellenleiter im selben Ausmaß bzw. Grad geändert wird. Das Tensorelement r_12,1 weicht von Null ab. Seine Wirkung wird jedoch durch die sekundärelektrischen Felder E₁ und E₂ verhindert bzw. gesperrt. Der Richtungskoppler wird so polarisationsunabhängig und weist eine hohe obere Grenzfrequenz auf. Der Richtungskoppler hat den Vorteil, daß seine Herstellung nur eine begrenzte Genauigkeit erfordert. Geringere Abweichungen in der Form der Elektroden können durch Änderung der Stärke der sekundärelektrischen Felder kompensiert werden.

Die Erfindung kann für einen Richtungskoppler 40 angewendet werden, dessen Hauptelektroden 41 und Sekundärelektroden 42 in Abschnitte ΔL längs der Wechselwirkungslänge L₂ geteilt sind, wie dies schematisch in Fig. 8 gezeigt ist. Eine Beschreibung der Elektroden dieses Typs findet man in IEEE Journal of Quantum Electronics, Band GE-12, No. 7, Juli 1976 von H. Kogelnik und R. Schmidt, "Geschaltete Richtungskoppler mit wechselnder Δβ". Diese Elektroden haben den Vorteil, daß die Genauigkeitsanforderungen in ihrer Herstellung relativ gering sind.

Claims

1. Polarisationsunabhängiger optoelektronischer Koppler, bei dem

a) in die Oberfläche (12; 32) eines Wafers (11; 31; 40) aus monokristallinem optoelektronischem Material Lichtwellenleiter (13; 33; 43) eingebracht sind, wobei in einem Koppelbereich zwei Lichtwellenleiter über eine vorgegebene Koppellänge parallel zueinander verlaufen,
b) das monokristalline optoelektronische Material eine hexagonale Einheitszelle mit einer ersten Kristallachse (c) aufweist, längs derer Licht unabhängig von seinem Polarisationszustand mit demselben Brechungsindex gebrochen wird, während die Brechungsindizes in den übrigen Kristallrichtungen des monokristallinen Materials einen ellipsoidförmigen Körper mit der ersten Kristallachse (c) als Drehachse bilden,
c) die hexagonale Einheitszelle des monokristallinen optoelektronischen Materials sechs zweite Kristallachsen (a) aufweist, die jeweils einen Winkel von 60° miteinander einschließen und die jeweils senkrecht zur Richtung der ersten Kristallachse (c) verlaufen,
d) die Waferoberfläche (12; 32) mit den in sie eingebrachten Lichtwellenleitern (13; 33; 43) so orientiert ist, daß
- - die Waferoberfläche mit der ersten Kristallachse (c) einen Winkel zwischen 0° und weniger als 15° einschließt,
- - die Lichtwellenleiter (13; 33; 43) jeweils in Ebenen liegen, die die Waferoberfläche (12; 32) unter einem rechten Winkel schneiden und in Längsrichtung der ersten Kristallachse (c) verlaufen, und daß
- - jeweils eine der sechs zweiten Kristallachsen (a) der hexagonalen Einheitszelle parallel zur Ebene der Waferoberfläche (12; 32) liegt,
e) die beiden Lichtwellenleiter (13; 33; 43) im Koppelbereich über ihre Koppellänge jeweils mit Hauptelektroden (17; 41) bedeckt sind, an denen eine Spannung zur Erzeugung eines primären elektrischen Feldes (E_h) gelegt wird,
f) auf der dem Koppelbereich abgewandten Außenseite der beiden Hauptelektroden (17; 41) parallel zur Hauptelektrode jeweils eine Sekundärelektrode (18) angebracht ist, wobei an die beiden Sekundärelektroden (18) jeweils unterschiedliche Spannungen zur Erzeugung sekundärer elektrischer Felder (E₁, E₂) angelegt werden können, und bei dem
g) die Spannungen an den Haupt- und den Sekundärelektroden so gewählt werden, daß die Richtung des aus dem primären und den beiden sekundären elektrischen Feldern resultierenden elektrischen Feldes in den Wellenleitern (13; 33; 43) rechtwinklig zur Waferoberfläche (12; 32) ist.

2. Koppler nach Anspruch 1, bei dem die erste Kristallachse (c) der hexagonalen Einheitszelle parallel zur Waferoberfläche (12; 32) verläuft.

3. Koppler nach Anspruch 1, bei dem die erste Kristallachse (c) der hexagonalen Einheitszelle mit der Waferoberfläche (12; 32) einen Winkel (β) einschließt, der 10,15° beträgt, so daß der Koppler für Licht der Wellenlänge 1,3 µm geeignet ist.

4. Koppler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Wafer (11; 31; 40) aus Lithiumniobat gebildet ist.