DE3801272A1

DE3801272A1 - Integriert-optische polarisationsweiche fuer monomode-uebertragungssysteme und ihre verwendung

Info

Publication number: DE3801272A1
Application number: DE19883801272
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Neyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-01-19
Filing date: 1988-01-19
Publication date: 1989-07-27

Description

Die Erfindung betrifft eine integriert-optische Polarisationsweiche für optisch einwellige Glasfaserübertragungssysteme und ihre Verwendung.

In der optischen Übertragungstechnik wie auch im Bereich der optischen Sensortechnik werden in zunehmenden Maße polarisationsselektive Komponenten zusammen mit nicht-polarisationserhaltenden Bauteilen eingesetzt. Ein Beispiel ist der Heterodyn-Überlagerungsempfang, bei dem das Übertragungsmedium i. a. eine nicht-polarisationserhaltende Glasfaser ist. Die Überlagerung des übertragenen Signals mit dem lokalen Oszillator auf der Empfängerseite ist jedoch nur mit polarisationserhaltenden Komponenten möglich. Der für den Überlagerungsempfang notwendige, wohldefinierte lineare Polarisationszustand kann zum einen durch abstimmbare Polarisationssteller immer nachgeregelt werden, zum anderen aber durch den Einsatz von Polarisationsweichen erreicht werden. Die Polarisationsweiche hat die Aufgabe, eine beliebige Eingangspolarisation in zwei orthogonale, linear polarisierte Anteile zu zerlegen. Polarisationsweichen können strahlenoptisch durch polarisierende Strahlteiler realisiert werden. Diese strahlenoptische Lösung ist in Übertragungssystemen wegen des großen Justageaufwands und der Empfindlichkeit gegen mechanische und thermische Störungen jedoch nicht geeignet.

In der Technik der Integrierten Optik, die sich durch Robustheit und kostengünstige Herstellungsverfahren auszeichnet, wurden bislang hauptsächlich zwei Wege beschritten, um solche Polarisationsweichen herzustellen:

- Die erste Möglichkeit beinhaltet die Ausnutzung der pola risationsselektiven Kopplung des Richtkopplers, die durch eine Metallbeschichtung wesentlich vergrößert werden kann (O. Mikami: Appl. Phys. Lett., vol. 36 (1980), Seiten 491-493). Unter bestimmten Bedingungen kann der Richtkoppler mit sogenannten "Delta-beta"-Umkehr-Elektroden auch als elektro- optisch abstimmbare Polarisationsweiche eingesetzt werden (K. Habara: Electron. Lett., vol. 23 (1987), Seiten 614-616).
- Die zweite Möglichkeit nutzt die Polarisationsselektivität von Wellenleiterkreuzungen in doppelbrechenden Materialien aus. (H. Nakajima et al.: IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-18 (1982), Seiten 771-776). In dieser Arbeit wurde die Wellenleiterkreuzung jedoch vielwellig und nicht, wie in der Übertragungstechnik verlangt, einwellig betrieben. Als Funktionsprinzip wurde ein sogenannter "mirror-type-effect" (Spiegel-Effekt) im Überschneidungsbereich der Wellenleiter angegeben. Eine Möglichkeit der elektrooptischen Abstimmung wurde nicht aufgezeigt. In einer weiteren Arbeit (E. Bergmann et al.: Appl. Opt., vol. 23 (1984), Seiten 3000-3003) wurde das Übertragungsverhalten der TE- und TM-Moden in Wellenleiterkreuzungen, die einwellig betrieben wurden, untersucht. Es wurde jedoch weder die Anwendung als passiver noch als elektrooptisch abstimmbarer Polarisationsteiler diskutiert.

Die Richtkopplerlösungen beinhalten den Nachteil, daß die Funktionsweise auch bei elektrooptischer Abstimmbarkeit nur innerhalb gewisser Grenzen für das Verhältnis von tatsächlicher Länge des Koppelbereiches L zur Überkoppellänge L _c des Lichtes gewährleistet ist. Daher ist die Herstellung von Richtkopplerbauelementen nur mit einer aufwendigen, sehr reproduzierbar arbeitenden Technologie möglich. Außerdem führt die im ersten Fall angegebene direkte Metallbeschichtung des Wellenleiters zu Zusatzverlusten. Die Arbeiten über Polarisationsweichen mit Welleneiterkreuzungen besitzen den Mangel, daß sie rein passiv arbeiten, keine Abstimmöglichkeiten aufzeigen und zum Teil vielwellig betrieben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integriert- optische Polarisationsweiche anzugeben, die elektrisch abstimmbar ist, in Monomode-Systeme einzusetzen ist und die beim Stand der Technik angeführten Nachteile nicht besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die integriert-optische Polarisationsweiche aus einem lateral zweimodigen Streifenwellenleiter besteht, an den auf jeder Seite jeweils zwei Monomode-Streifenwellenleiter angeschlossen werden.

Die Struktur der erfindungsgemäßen Polarisationsweiche ist in Fig. 1 dargestellt. Kernstück dieses Bauelementes ist der lateral zweimodige Streifenwellenleiter 11, dessen polarisationsabhängige Zwei-Moden-Interferenz (ZMI) zur Polarisations selektion ausgenutzt wird. Die nahezu verlustlose Ankopplung der Monomode-Streifenwellenleiter 12 und 13 an den zweimodigen Streifenwellenleiter erfolgt mit Hilfe getaperter Richtkoppler, deren Wirkungsweise z. B. in der Arbeit: A. Neyer: Electron. Lett., vol. 19, (1983), Seiten 553-554 beschrieben ist.

Das Funktionsprinzip der hier angegebenen Polarisationsweiche beruht auf einer unterschiedlichen Differenz der Phasenkonstanten der Grundwelle ( β₀) und des ersten lateralen Modus ( β₁) des zweimodigen Streifenwellenleiters 11 für die TE- und TM-Wellen, d. h.

Δβ ^TE Δβ ^TM (1)

wobei Δβ=β₀-β₁ bedeutet. Die Ungleichheit (1) ist in nahezu allen Wellenleitern erfüllt. Sie mit Materialdoppelbrechung, Wellenleiterdoppelbrechung, Spannungsdoppelbrechung, etc. zu begründen.

Das ZMI-Modell liefert für den Fall der Ungleichheit (1) ein unterschiedliches Aufteilungsverhältnis der Lichtleistungen zwischen den beiden Ausgängen 3 und 4 für die beiden orthogonalen Polarisationen:

wobei L die Länge des zweimodigen Wellenleiters angibt und Φ₀ das Aufteilungsverhältnis für L = 0 bestimmt. Aus den Gleichungen (2) und (3) ergeben sich die Bedingungen für einen perfekten Polarisationsteiler

Diese Bedingungen müssen gleichzeitig erfüllt werden, wozu die Paramter Δβ ^TE, Δβ ^TM, L, Φ₀^TM und Φ₀^TE in geeigneter Weise eingestellt sein müssen. Da die Anpassung dieser fünf Größen allein durch den Herstellungsprozeß eine sehr genaue Kenntnis und Kontrolle der Technologieparameter verlangt, ist eine nachträglich durchführbare Abstimmung sehr wünschenswert. Diese nachträgliche Abstimmung kann sowohl passiv als auch aktiv erfolgen. In beiden Fällen ist das Prinzip die gezielte Veränderung von Δβ ^TE und Δβ ^TM in der Weise, daß die Bedingungen (4) und (5) erfüllt werden. Eine besonders wirkungsvolle Veränderung der Δβ-Werte ist dadurch möglich, daß die Ausbreitungskonstante eines Modus, z. B. des Grundmodus, durch eine entsprechende lokale Modifikation der effektiven Brechzahl verändert wird, wohingegen die Ausbreitungskonstante des ersten lateralen Modus nahezu unberührt bleibt. Die lokale Modifikation der effektiven Brechzahl kann zum einen durch geeignete passive Beschichtungen mit z. B. dielektrischen oder metallischen Materialien erfolgen und zum anderen durch materialspezifische Effekte wie z. B. den elektrooptischen oder thermooptischen Effekt aktiv erfolgen.

Die einfache Herstellung des Polarisationsteilers in den unterschiedlichsten Materialien (z. B. Glas, LiNbO₃, GaAs, InP, etc.) erlaubt die Realisierung zahlreicher neuartiger Ausbildungen der Erfindung, die in den Ansprüchen 1-9 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 die integriert-optische Polarisationsweiche mit einem zweimodigen Streifenwellenleiter der Länge L und vier angeschlossenen Monomode-Streifenwellenleitern a) in der Funktion als polarisationsselektiver Abzweig, b) in der Funktion als polarisationsselektive Zusammenführung;

Fig. 2 zeigt zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei der zweimodige Streifenwellenleiter a) eine größere Breite w₂ bzw. b) eine größere Brechzahländerung Δ n₂ als die der Monomode-Wellenleiter aufweist;

Fig. 3 zeigt eine Polarisationsweiche, bei der zur Abstimmung des Aufteilungsverhältnisses zwei streifenförmige Bereiche 31 und 32 hergestellt werden. Diese beiden Bereiche verändern in unterschiedlicher Weise die effektiven Brechzahlen der TE- und TM-Wellen. Diese Bereiche sind so angeordnet, daß die Differenz der effektiven Indizes zwischen der Grundwelle und dem ersten lateralen Modus möglichst groß wird;

Fig. 4a zeigt eine Elektrodenkonfiguration, mit der die angegebene Polarisationsweiche elektrooptisch abgestimmt werden kann. Dabei nutzt das Elektrodenpaar 41 die horizontale und die Drei-Eektrodenstruktur 42 die vertikale elektrische Feldkomponente aus. Entscheidend ist, daß einer der beiden Elektrodensätze 41 oder 42 maßgeblich nur eine Polarisationsrichtung beeinflußt. Als Ausführungsbeispiel sei eine Polarisationsweiche in Z-Schnitt LiNbO₃ mit Lichtausbreitung in X-Richtung genannt, bei der über das Elektrodenpaar 41 mit Hilfe des elektrooptischen Koeffizienten r₂₂ nahezu ausschließlich die TE-Mode beeinflußt wird, während die Elektrodenstruktur 42 über die Koeffizienten r₃₃ und r₁₃ auf beide Polarisationsanteile wirkt. Die elektrooptische Abstimmung wird in der Weise durchgeführt, daß mit der Struktur 42 das TM-Licht in einen Ausgangsarm und nachfolgend das TE-Licht mit Hilfe der Struktur 41 in den komplementären Ausgangsarm gelenkt wird;

Fig. 4b zeigt die Anwendung der elektrooptisch abstimmbaren Polarisationsweiche als polarisationsunabhängigen Schalter. Für diese Anwendung wird mit Hilfe der beiden Elektrodensätze 41 und 42 das Licht beider Polarisationen in einen gemeinsamen Ausgangsarm gelenkt. Das Umschalten erfolgt durch die Veränderung der Spannungen U₁ und U₂ an den beiden Elektrodensätzen in der Weise, daß beide Polarisationsanteile gemeinsam in den komplementären Ausgangsarm geführt werden.

Claims

1. Polarisationsweiche, gekennzeichnet durch einen lateral zweimodigen Streifenwellenleiter, an den auf jeder Seite zwei Monomode-Streifenwellenleiter angeschlossen sind.

2. Polarisationsweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweimodige Streifen wellenleiter nahezu die gleiche maximale Brechzahlerhöhung wie die der Monomode-Streifenwellenleiter aufweist, jedoch eine größere Breite als diese besitzt.

3. Polarisationsweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweimodige Streifen wellenleiter nahezu die gleiche Breite wie die der Monomode-Streifenwellenleiter aufweist, jedoch eine größere Brechzahlerhöhung als diese besitzt.

4. Polarisationsweiche nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hergestellte Brechzahlprofil nachträglich im Bereich des zweimodigen Streifenwellenleiters in zwei Abschnitten streifenförmig verändert wird, wobei die in den beiden Abschnitten hervorgerufenen Brechzahlprofiländerungen in unterschiedlicher Weise auf die beiden Polarisationsrichtungen wirken.

5. Polarisationsweiche nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das geänderte Brechzahlprofil permanent ist.

6. Polarisationsweiche nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die die streifenförmigen Brechzahländerungen thermooptisch erzeugen.

7. Polarisationsweiche nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die die streifenförmigen Brechzahländerungen elektrooptisch erzeugen.

8. Verwendung der Polarisationsweiche nach einem der Ansprüche 2-7 als polarisationsselektiver Abzweig oder als polarisationsselektive Zusammenführung oder als schaltbarer polarisationsselektiver Abzweig oder als polarisationsselektiver Umschalter.

9. Verwendung der Polarisationsweiche nach einem der Ansprüche 6 und 7 als polarisationsunabhängiger Schalter, wobei das Licht beider Polarisationsrichtungen in einen gemeinsamen Ausgangsarm gelenkt wird und zwischen den beiden Ausgangsarmen umgeschaltet werden kann.