DE3782879T2 - Optische schaltvorrichtung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine optische Schalt-Vorrichtung.
• Es ist häufig nötig, Licht von einem Anschluß zu einem anderen zu schalten. Beispielsweise können im Bereich der Telekommunikation Daten als optische Daten in einem optischen Strahl übertragen werden, und um die optischen Daten zu verarbeiten, ist es häufig erforderlich, den optischen Strahl von einem Wellenleiter zu einem anderen zu schalten.
• Es sind optische Schalter bekannt, in denen Licht von einem Wellenleiter auf einen anderen nicht mittels eines mechanisch bewegbaren Teils transferiert wird, sondern dadurch, daß Licht direkt von einem Wellenleiter auf den anderen durch die Wände des Wellenleiters über eine Distanz gekoppelt wird, die als die Kopplungslänge bekannt ist. In einem bekannten Beispiel einer optischen Schaltvorrichtung dieser Art nehmen die Wellenleiter die Form länglicher Kanäle an, die einen vorbestimmten Brechungsindex aufweisen und in oder auf einem Körper geringeren Brechnungsindex ausgebildet sind. Wenn Licht in den ersten Wellenleiter eintritt, wird ein gewisser Betrag des Lichts vom ersten Wellenleiter zum zweiten Wellenleiter übergekoppelt und tritt aus dem zweiten Wellenleiter aus. Auf diese Weise liegt ein gewisser Grad an optischer Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern vor. Jedoch ist es oft erwünscht, daß entweder sämtliches Licht, das in den ersten Wellenleiter eingetreten ist, aus dem ersten Wellenleiter austritt, wobei diese Bedingung als der "Durchgangszustand" des Schalters bekannt ist, oder zu bewerkstelligen, daß sämtliches Licht, das in den ersten Wellenleiter eingetreten ist, in den zweiten Wellenleiter übergekoppelt wird und aus dem zweiten Wellenleiter austritt, wobei dies als der "Kreuz-Zustand" (cross state) des Schalters bekannt ist. Das Anlegen eines geeigneten elektrischen Feldes an den Körper modifiziert den Grad optischer Kopplung, der zwischen den beiden Kanälen auftritt, durch Ändern des Brechnungsindex der Kanäle infolge des elektrooptischen Effektes. Durch korrekte Auswahl des elektrischen Feldes in bezug auf die optischen Eigenschaften des Schalters wird das Licht dazu gebracht, großteils von einem Kanal zum anderen überzugehen. Der Lichtübergang ist jedoch nicht vollständig und sowohl der Durchgangszustand und der Kreuzzustand sind in zuverlässiger Weise schwer zu erzielen, da eine Anzahl schwieriger Auslegungseinschränkungen erfüllt sein müssen. Einige optische Schaltungen verwendende Vorrichtungen sind in den Patentschriften EP-A-112 732, US-A-4 012 113 und WO-86/03016 beschrieben.
• Die vorliegende Erfindung strebt an, eine verbesserte optische Schaltvorrichtung zu schaffen.
• Gemäß der Erfindung ist eine optische Schaltvorrichtung vorgesehen, die aufweist: einen Körper, der eine erste und zweite lichtdurchlässige längliche Region mit Brechungsindices aufweist, die höher als der Brechungsindex des Körpers sind, webei die Regionen imstande sind, als Lichtwellenleiter zu wirken, die Regionen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und einen mit ihnen verknüpften Kopplungskoeffizienten aufweisen, wobei jeder Region zwei Elektroden zugeordnet sind, die durch einen Spalt getrennt sind, der sich parallel zur zugeordneten Region erstreckt; und eine Einrlchtung zur Anlegung einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden derart, daß ein elektrisches Feld über jeden Spalt erzeugt wird, das sich in die beiden Wellenleiter erstreckt und den Kopplungskoeffizienten der beiden Wellenleiter ändert, um so den Grad optischer Kopplung zwischen der ersten und zweiten Region zu variieren; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Spalte, die die Elektroden trennen, kleine Spalte sind, die an einer zentralen Position der Regionen angeordnet sind, wobei die Weite jedes Spaltes wesentlich geringer als die Distanz zwischen den Spalten ist. Die Variation im Brechungsindex kann derart sein, daß sie den Grad optischer Kopplung zwischen der ersten und zweiten Region wesentlich ändert und so ermöglicht, daß eine Umschaltung realisiert wird.
• Das Verhältnis der Weite des Spaltes zum Abstand zwischen dem Spalt ist vorteilhafterweise größer als 1 bis 4, wodurch das Anlegen einer Potentialdifferenz von weniger als 50 Volt über jeden Spalt den Grad an optischer Kopplung zwischen der ersten und zweiten Region wesentlich ändert, und vorzugsweise liegt das Verhältnis zwischen 1 bis 5.
• Der Grad optischer Kopplung in einem optischen Schalter wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes über die Wellenleiter geändert, derart, daß der Brechungsindex in jedem Wellenleiter infolge des elektro- optischen Effektes geändert wird.
• In bekannten optischen Schaltern wird ein elektrisches Feld über die Wellenleiter derart angelegt, daß der Brechungsindex im ersten Wellenleiter zunimmt und der Brechungsindex im zweiten Wellenlelter abnimmt, und der Grad der Kopplung wird sich als Funktion des Unterschiedes zwischen dem dein Brechungslndex im ersten Wellenleiter und dem Brechungsindex in zweiten Wellenleiter ändern.
• Der Kopplungsgrad kann auch durch direkte Änderung des Kopplungskoeffizienten, d.h. der Kopplungs pro Einheitslänge, die mit den beiden Wellenleitern verknüpft ist, geändert werden. Der Kopplungskoeffizient hängt von der Trennung des ersten und zweiten Pfades ab, entlang derer Licht innerhalb des ersten und zweiten Wellenleiters übertragen werden kann.
• Die vorliegende Erfindung ändert den Grad optischer Kopplung zwischen zwei Wellenleitern durch Ändern der Positionen der Pfade, entlang derer Licht sich innerhalb der Wellenleiter ausbreiten kann, durch die Anlegung sehr geringer Spannungsdifferenzen der Größenordnung von 30 Volt, eher als durch Ändern der optischen Eigenschaften jedes Wellenleiters und durch ungeänderte Belassung der Positionen des ersten und zweiten Pfades.
• Der Pfad, entlang dessen sich das Licht innerhalb eines Wellenleiters ausbreiten kann, ist als optischer Pfad oder Lichtweg bekannt.
• Vorzugsweise ist der Körper, der die erste und zweite Region aufweist, aus Lithiumniobat gefertigt, und die Regionen sind durch Diffusion von Titan in Oberflächenregionen des Lithiumniobat ausgebildet. Die Bereiche, in die das Titan diffundiert ist, werden durch das Vorhandensein des Titan dazu gebracht, einen höheren Brechungsindex als das umgebende Lithiumniobat aufzuweisen, und sind so imstande, als Lichtwellenleiter zu wirken.
• Vorzugsweise sind auch die Elektrodeneinrichtungen flache Elektroden, die an der Oberfläche des Körpers positioniert sind, und es kann eine Elektrode vorhanden sein, die den beiden Elektrodeneinrlchtungen geineinsam ist. Die Elektroder sind vorzugsweise nicht direkt auf die Oberfläche gebondet, sondern auf eine Pufferschicht, die die Elektroden von der Oberfläche des Körpers trennt.
• Die Elektroden können aus irgendeinem leitenden Material gefertigt sein, jedoch wird Gold vorgezogen, und die Pufferschicht kann aus Siliciumdioxid gebildet sein. Vorzugsweise wird eine Potentialdifferenz von weniger als 30 Volt über jeden Spalt gelegt.
• Eine Art, in der die Erfindung ausführbar ist, wird nun beispielhalber unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• FIG. 1 eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalters gemäß der Erfindung zeigt;
• FIG. 2 einen transversalen Querschnitt des Schalters der FIG. 1 zeigt, der die Positionen der Wellenleiter darstellt, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird: wobei
• FIG. 2a die Variation im Brechungsindex über dem Schalter zeigt, wenn kein elektrisches Feld angelegt ist;
• FIG. 3 einen transversalen Querschnitt des Schalters aus FIG. 1 zeigt, der die Positionen der Wellenleiter darstellt, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird;
• FIG. 3a die Variation im Brechungsindex über dein Schalter zeigt, wenn das elektrische Feld der FIG. 3 angelegt ist;
• FIG. 4 einen transversalen Querschnitt des Schalters der FIG. 1 zeigt, der die Positionen der Wellenieiter darstellt, wenn ein elektrisches Feld entgegengesetzter Polarität zu der in FIG. 3 angelegt wird; und
• FIG. 4a die Variation im Brechungsindex über dem Schalter zeigt, wenn das elektrische Feld der FIG. 4 angelegt ist.
• In FIG. 1 ist ein integrierter optischer Schalter insgesamt durch die Bezugzahl 1 angedeutet und umfaßt einen Körper 2, der aus Z-geschnittenem Lithiumniobar gefertigt ist. Die Oberflächenebene des Körpers 2 liegt senkrecht zur Z-Richtung der Kristallstruktur des Lithiumniobats, wie durch den Pfeil, der in Z- Richtung zeigt, angedeutet ist. Titan wird in die 0berfläche diffundiert, um Kanäle 3 und 4 zu bilden, die einen höheren Brechungsindex als der Körper 2 aufweisen und daher instande sind, als Lichtwellenlelter zu wirken. Die Kanäle 3 und 4 sind jeweils durch gestrichelte Linien dargestellt, um ihre Positionen zum Zwecke der Erklärung anzuzeigen, und sind längliche Regionen, die parallel zueinander angeordnet sind. Sie würden natürlich unter normalen Bedingungen nicht sichtbar sein. Pufferschichten 5 aus Siliciumdioxid sind auf der Oberfläche des Körpers 2 abgeschieden, wobei eine Schicht im wesentlichen U-förmig ist, mit Armen, die parallel zu den Kanälen 3 und 4 angeordnet sind, und eine weitere Schicht, die von der ersten getrennt ist, in der gezeigten Weise innerhalb der Arme der U-förmigen Schicht liegt. Schichten 6 aus Gold sind auf den Pufferschichten 5 abgeschieden, um Elektroden 7 und 8 zu bilden. Leitungsdrähte 9 verbinden die Elektroden 7 und 8 mit einer Spannungsversorgung 10.
• Der Abstand 11 repräsentiert die Distanz, über die die Kopplung zwischen den Wellenleitern auftreten kann, und weist in dlesein Ausführungsbeispiel eine Länge zwischen einer und zwei Kopplungslängen auf, welche angenähert 3 mm entspricht. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann sie selbstverständlich eine andere Länge aufweisen.
• Im dargestellten optischen Schalter beträgt die Wellenlänge des Lichts, durch die Kanäle 3 und 4 geführt wird, angenähert 1,3 um.
• FIG. 2 zelgt einen transversalen Querschnitt des optischen Schalters 1 und zeigt die Positionen der Kanäle 3 und 4 an, wenn kein elektrisches Feld angelegt ist. Die Kanäle 3 und 4 sind nicht vollständig voneinander getrennt und weisen beide Ränder auf, die bei 12 und 13 jewells allmählich auslaufen.
• Die Breite der zentralen Elektrode 8 ist durch die Bezugszahl a angezeigt, und die Ausdehnung jedes Spaltes zwischen den Elektroden 7 und 8 ist durch die Bezugszahl b angezeigt. Die Distanz, die durch die Bezugszahl c angezeigt ist und sich zwischen den Mittelpunkten der Spalte erstreckt, entspricht dem Abstand zwischen den Spalten.
• Da die Kanäle durch Diffusion von Titan in Lithiumniobar ausgebildet sind, befindet sich eine gewisse Titanmenge im Körper 2 außerhalb der Bereiche, die durch 3 und 4 angezeigt sind. Wenn das Titan durch den Körper 2 diffundiert, nimmt die Konzentration an Titan als eine Funktion des Abstands von der Oberfläche des Körpers 2 ab.
• Die Linien 14 und 15 repräsentieren die Positionen der Kanäle 3 und 4 und zeigen die Bereiche an, innerhalb derer die Konzentration an Titan ausreichend hoch ist, um dazu zu führen, daß diese Bereiche imstande sind, als optische Wellenleiter zu wirken, wenn kein elektrisches Feld angelegt ist. Die Bereiche des Körpers jenseits der LinIen 14, 15 enthalten Titan in Konzentrationen, die mit der Distanz von den Grenzen 14 und 15 abnehmen. Die Lage des Kanals 3 bezüglich des anderen Kanals 4 ist so ausgelegt, daß die Distanz zwischen den Lichtweger vom Kanal 3 und 4 dazu führt, daß ein gewisser Grad an Kopplung zwischen ihnen über die Länge der Vorrichtung vorliegt. Angenähert die Hälfte des Lichts, das in den Kanal 3 eintritt, tritt aus Kanal 4 aus, und der verbleibende Teil breitet sich weiter entlang Kanal 3 aus, d.h. weder der Kreuzzustand noch der Durchlaßzustand ist erreicht, wenn kein eletrisches Feld angelegt ist.
• FIG. 2a stellt die Variation im Brechungsindex über dem Schalter dar, wenn kein elektrisches Feld angelegt ist. Die Bereiche hohen Brechungsindices 16 un 17 entsprechen den Kanälen 3 und 4, die imstande sind, als optische Wellenleiter zu wirken.
• Der Brechungsindex eines Materials kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes über das Material geändert werden. Abhängig von der Polarität des angelegten Feldes kann der Brechungsindex angehoben oder abgesenkt werden.
• Die FIG. 3 zeigt den Schalter 1, wenn ein elektrisches Feld wie gezeigt über den Schalter 1 mittels Elektroden 7 und 8 angelegt ist. Der Effekt der Anlegung dieses Feldes besteht darin, den Brechungsindex vom Material, das einem negativen elektrischen Feld ausgesetzt wird, herabzusetzen und den Brechungsindex vom Material, das einem positiven elektrischen Feld ausgesetzt wird, jeweils in einer Weise anzuheben, die proportional zur Stärke des Feldes ist.
• Infolge des Verhältnisses der Spaltweite b zum Spaltabstand c, welches vorzugsweise größer als 1 bis 5 ist, wird, wenn ein elektrisches Feld wie in FIG. 3 gezeigt angelegt ist, eine markierte lokalisierte Änderung im Brechungsindex unter den Spalten zwischen den Elektroden 7 und 8 bewirkt. Daher wird der Brechungsindex eines Teils des Bereiches, der, wenn kein Feld angelegt ist, instande ist, als ein optischer Wellenleiter zu wirken, abnehmen, und der Brechungsindex des Restes dieses Bereichs wird zunehmen. Die Bereiche unter den Spalten unterliegen einem steilen Brechungsindexgradienten, der durch die Neigungen 18, 19 In FIG. 3a dargestellt ist, die den Brechungsindex über dein Schalter darstellt.
• In FIG. 3a ist erstchtlich, daß Bereiche 16A und 17A hohen Brechungsindices Bereichen 3A und 4A entsprechen, und die Positionen der Bereiche repräsentieren, die imstande sind, als Lichtwellenleiter zu wirken. Die Bereiche 16; und 17A höheren Brechungsindices, die Bereichen 3A, 4A entsprechen, liegen sehr viel dichter zusammen als die entsprechenden Bereiche 16 und 17 und 3 und 4 der FIG. 2a bzw. 2, und der Kopplungskoeffizient wird ausreichend erhöht, um zu ermöglichen, daß der Schalter im Kreuzzustand arbeitet.
• Die FIG. 4 zeigt den Schalter 1 in transversalem Schnitt, wenn ein elektrisches Feld über dem Schalter 1 wie durch die Elektroden 7 und 8 angezeigt, angelegt wird. Das Feld weist eine entgegengesetzte Polung zu der des Feldes auf, das an den Schalter in FIG. 3 angelegt war.
• In FIG. 4a, die wiederum den Brechungsindex darstellt, ist ersichtlich, daß die Regionen der Bereiche, die imstande sind, als Lichtwellenleiter zu wirken, die unter den Spalten zwischen den Elektroden 7 und 8 liegen, steilen Brechungsindexgradienten unterliegen, die durch die Neigungen 20 und 21 dargestellt sind.
• Die Bereiche höheren Brechungsindices 16B und 17B, die den Bereichen 3B und 4B in FIG. 4 entsprechen, liegen Infolgedessen dichter zusammen als die Bereiche 16 und 17 in FIG. 2a, die den Bereichen 3 und 4 in FIG. 2 entsprechen.
• Dies setzt den Kopplungskoeffizienten, der mit den beiden Kanälen verknüpft ist, herab, und infolgedessen wird der Grad der Kopplung ausreichend herabgesetzt, um zu ermöglichen, daß der Schalter im Durchgangszustand arbeitet.
• Mittels eines optischen Schalters gemäß der Erfindung ist es möglich, entweder in Durchgangszuszand oder Kreuzzustand zu arbeiten, indem ein geeignetes elektrisches Feld an den Schalter gelegt wird.
• Im hier beschriebenen optischen Schalter ist die Distanz zwischen den Elektroden 7 und 8, die durch das Bezugszeichen b in FIG. 2 angezeigt ist, entweder etwa 2 um und der Abstand zwischen den Spalten c beträgt 10 um. Die Distanz 23 zwischen der Mittelelektrode 8 und dem Querschenkel der U-förmigen Elektrode 7, wIe in FIG. 1 gezeigt, beträgt angenähert 0,5 mm, und so ist der Effekt des elektrischen Feldes über die Distanz 23 vernachlässigbar.
• Geeignete Spannungen zur Betätigung des Schalters sind angenähert +30 Volt und angenähert -30 Volt. Wenn die Elektrode 7 bezüglich der Elektrode 8 negativ ist, kann der Kreuzzustand des Schalters erzielt werden, und wenn die Elektrode 7 auf einem positiven Potential bezüglich der Elektrode 8 liegt, kann der Durchgangszustand des Schalters erzielt werden.

Claims (9)

1. Optische Schaltvorrichtung, aufweisend: einen Körper (2), der eine erste und zweite lichtdurchlässige längliche Region (3, 4) mit Brechungsindices aufweist, die höher als der Brechungsindex des Körpers sind, wobei die Regionen imstande sind, als Lichtwellenleiter zu wirken, die Regionen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und einen mit ihnen verknüpften Kopplungskoeffizienten aufweisen, jeder Region zwei Elektroden (7, 8) zugeordnet sind, wobei die Elektroden durch einen Spalt getrennt sind, der sich parallel zur zugeordneten Region erstreckt; und Einrichtungen (9, 10) zum Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden derart, daß ein elektrisches Feld über jeden Spalt erzeugt wird, das sich in die beiden Wellenleiter erstreckt und den Kopplungskoeffizienten der beiden Wellenleiter ändert, um so den Grad optischer Kopplung zwischen der ersten und zweiten Region zu variieren; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Spalte, die die Elektroden trennen, kleine Spalte sind, die an einer zentralen Position der Regionen angeordnet sind, wobei die Weite jedes Spaltes (b) wesentlich kleiner als die Distanz (a) zwischen den Spalten ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher das Verhältnis der Weite Jedes Spaltes zum Abstand zwischen den Spalten größer als 1 bis 4 ist, wodurch das Anlegen einer Potentialdifferenz von weniger als 50 Volt über jeden Spalt den Grad optischer Kopplung zwischen der ersten und zweiten Region (3, 4) wesentlich ändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, in welcher das Verhältnis der Weite jedes Spaltes zum Abstand zwischen den Spalten 1 bis 5 beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, in welcher die erste und zweite Region längliche Oberflächenregionen sind, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, in welcher der Körper aus Lithiumniobat besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, in welcher die erste und zweite Region durch Diffusion von Titan in das Lithiumniobat ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, in welcher die Elektroden flache Elektroden umfassen, dIe an der Oberfläche des Körpers positioniert sind, eine erste Elektrode (7), dIe von U-förmiger Konfiguration ist, und eine zweite Elektrode (8), die zwischen den Armen der ersten Elektrode liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, In welcher Schichten (5) aus Siliciumdioxid auf der Oberfläche des Körpers aufgebracht sind, um als ein Puffer zwischen den Elektroden und der Körper zu wirken.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, in welcher die Elektroden aus Gold sind.