DE3883492T2 - Verfahren zur Anordnung eines polarisationsrichtenden optoelektronischen Schalters und ein Schalter dafür. - Google Patents

Verfahren zur Anordnung eines polarisationsrichtenden optoelektronischen Schalters und ein Schalter dafür.

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DE3883492T2 DE88850350T DE3883492T DE3883492T2 DE 3883492 T2 DE3883492 T2 DE 3883492T2 DE 88850350 T DE88850350 T DE 88850350T DE 3883492 T DE3883492 T DE 3883492T DE 3883492 T2 DE3883492 T2 DE 3883492T2
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Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anordnung eines polarisationsrichtenden optoelektronischen Kopplers mit einem Einzelkristallwafer aus doppelbrechendem Material mit einer optischen Achse, einem länglichen Wechselwirkungsbereich an der oberen Oberfläche des Wafers, der in wenigstens zwei transversale Abschnitte unterteilt ist, zwei optischen Wellenleitern, die sich in dem Wechselwirkungsbereich bei einem gegenseitigen Abstand in ihrer Längsrichtung erstrecken und einer in dem Wechselwirkungsbereich angeordneten Elektrodeneinrichtung, wobei die Elektrodeneinrichtung in jedem der Abschnitte wenigstens drei Elektroden aufweist, die sich entlang der Wellenleiter über im wesentlichen die gesamte Länge ihres jeweiligen Abschnitts erstrecken und Verbindungen für elektrische Spannungsquellen aufweist, wobei die optische Achse in die transversale Richtung der Wellenleiter gerichtet wird, wobei sich die letztere in die Y-Richtung des Kristalls zum Schalten von Lichtwellen erstreckt, deren orthogonale Polarisationsrichtungen beliebige Stärken zueinander besitzen. Außerdem betrifft die Erfindung einen Koppler zum Durchführen des Verfahrens.
    • STAND DER TECHNIK
  • Komponenten in der integrierten Optik, beispielsweise Koppler und Modulatoren können in optischen Fasersystemen zur Informationsübertragung vorgesehen sein. Diese Komponenten umfassen einen Wafer aus einem optoelektrischen Material mit optischen Wellenleitern, die in seine obere Oberfläche eindiffundiert sind. In einem Koppler kann beispielsweise mit Hilfe von Elektroden auf der Oberfläche des Wafers ein übertragenes Lichtsignal geschaltet oder auf irgendeinen der Kopplerausgänge gekoppelt werden. Die Komponenten besitzen allgemein den Nachteil, daß Licht mit einer gut definierten Polarisation benötigt wird, damit dieses Schalten in zufriedenstellender Weise stattfindet. Falls der Polarisationszustand undefiniert ist, kann das übertragene Signal zwischen den Ausgängen aufgeteilt werden, so daß ein Fehler bei der Signalübertragung in dem Koppler auftritt. Ein gut definierter Polarisationszustand in übertragenen Lichtsignalen kann aufrechterhalten werden, falls die Übertragung mit polarisationserhaltenden optischen Fasern vorgenommen wird, obwohl diese die Lichtsignale zu einem verhältnismäßig großen Ausmaß dämpfen und teuer sind. Diese Schwierigkeiten bei der Übertragung können vermieden werden, indem die optischen Komponenten polarisationsunabhängig gemacht werden. In den Appl. Phys. Lett. 35(10), November 15, 1979, Seiten 748-750, R.C. Alferness; "Polarization- Independent Optical Directional Coupler Switch using Weighted Coupling" wird ein polarisationsunabhängiger optischer Richtkoppler vorgestellt, bei dem der Abstand zwischen den optischen Wellenleitern in dem Wechselwirkungsbereich des Kopplers variiert. Dieser Richtkoppler besitzt den Nachteil, daß er eine hohe Genauigkeit bei der Herstellung der optischen Wellenleiter und der Elektroden erfordert. In der "Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-2 No 1, Februar, 1984, Leon McCaughan "Low-Loss Polarisation-Independent Electro-Optical Switches at λ=1,3um", wird ein polarisationsunabhängiger optischer Koppler vorgeschlagen, der etwas einfacher ist als derjenige in der vorhergehenden Bezugsquelle, der aber eine größere Nebensprechdämpfung zwischen den optischen Wellenleitern aufweist. Ein weiterer polarisationsunabhängiger optischer Koppler wird in der "IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE17, No 6, Juni 1981, Seiten 959-964, N. Tsukada und T. Nakayama; "Polarization-Insensitive Integrated-Optical Switches: A New Approach" vorgeschlagen. In dieser Veröffentlichung wird ein Koppler beschrieben, der zwei Abschnitte in dem Wechselwirkungsbereich mit zwei getrennten Typen von Elektroden aufweist. Jede dieser Elektroden ist in eine große Anzahl von kleineren Elektroden unterteilt, und die Herstellung des Richtkopplers ist kompliziert. Abgesehen von den obenerwähnten Nachteilen mit großer Komplexität und hohen Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit besitzen viele bekannte polarisationsunabhängige optische Richtkoppler außerdem den Nachteil, daß sie hohe Ansteuerungsspannungen erfordern. Dies kann eine Schwierigkeit bei vielen Anwendungen bedeuten.
  • Das obenerwähnte Problem, nämlich daß ein übertragenes Lichtsignal einen undefinierten polarisationszustand besitzt, kann auch gelöst werden, indem eine empfangene Lichtwelle in zwei Signale mit orthogonalen Polarisationszuständen aufgeteilt wird, wobei jedes für sich in einem Empfänger verarbeitet wird. Eine Vorrichtung zum Erreichen eines derartigen Lichtwellenaufteilens ist in den Optical Letters, Vol. 10, No 4, 1984, Seiten 140-142, R.C.Alferness und L.L. Buhl: "Low Crosstalk Waveguide Polarization Multiplexer/Demultiplexer for λ=1.32um" und in den Electronics Letters, Vol. 23 1987, Seiten 614-616, K. Habara: "LiNbO&sub3; Directional Coupler Polarization Splitterl" beschrieben. Eine derartige Vorrichtung umfaßt einen Richtkoppler aus Lithium- Niobat mit einer Lichtausbreitung rechtwinklig zu der optischen Achse des Einzelkristallwafers bezüglich des Kopplers. In dieser Kristallausrichtung besitzen die zwei orthogonalen Polarlsationsrichtungen, d.h. die TM- und die TE- Moden unterschiedliche Ausbreitungskonstanten in den Kopplerwellenleitern. Der Grundzustand für einen Mode und der Kreuzungszustand für den anderen Mode können erhalten werden, indem eine geeignete Spannung mit den Kopplerelektroden verbunden wird. Diese bekannten Vorrichtungen erfordern jedoch eine große Herstellungsgenauigkeit zum Erhalten einer guten Teilung der Polarisationsrichtungen, und deswegen sind die Vorrichtungen teuer.
  • Das Dokument US-A-4 390 236 von R.C. Alferness beschreibt einen einstellbaren polarisationsunabhängigen Wellenlängenfilter. Die Oberbegriffe von Anspruch 1 und 2 basieren auf diesem Dokument.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen polarisationsunabhängigen optoelektronischen Richtkoppler zu schaffen, mit mäßigen Ansteuerungsspannungen arbeitet und Elektroden und optische Wellenleiter eines einfachen Aufbaus aufweist. Dieser Koppler wird mit geringen Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit hergestellt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder 2 gelöst.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Richtkopplers werden im folgenden ausführlich in Zusammenhang mit den Zeichnungen erklärt. In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 eine von oben gesehene perspektivische Ansicht, die einen Richtkoppler darstellt;
  • Fig. 2 eine Draufsicht von oben auf den Wechselwirkungsbereich des Richtkopplers mit seinen Elektroden und optischen Wellenleitern;
  • Fig. 3 ein Querschnitt des Richtkopplers in dem Wechselwirkungsbereich;
  • Fig. 4a, 4b und 4c Diagramme, die elektrische Felder durch die optischen Wellenleiter zeigen;
  • Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht einer Einheitszelle für die Kristallstruktur des Lithium- Niobats;
  • Fig. 6, Fig. 7 und Fig. 8 Diagramme der Kopplungszustände des Richtkopplers von Fig. 1;
  • Fig. 9 eine von oben betrachtete perspektivische Ansicht, die einen weiteren Richtkoppler darstellt;
  • Fig. 10 eine Draufsicht von oben auf den Wechselwirkungsbereich für den Koppler in Fig. 9 mit Elektroden und Wellenleitern;
  • Fig. 11 ein Querschnitt durch den Wechselwirkungsbereich des Kopplers in Fig. 9;
  • Fig. 12a, 12b und 12c Diagramme, die elektrische Felder durch die Wellenleiter des Kopplers in Fig. 9 beschreiben; und
  • Fig. 13, Fig. 14 und Fgi. 15 Diagramme von Kopplungszuständen für den Koppler in Fig. 9.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
  • Ein optoelektronischer Koppler zum Aufteilen/Kombinieren von Polarisation entsprechend der Erfindung ist schematisch in einer perspektivischen Ansicht in Fig. 1 dargestellt. Ein Einzelkristallwafer 1, beispielsweise aus Lithium-Niobat oder Lithium-Tantalat besitzt zwei optische Wellenleiter 3 und 4 auf seiner oberen Oberfläche 2. Der Koppler besitzt sechs Elektroden, die mit den Bezugszeichen 5, 6, 7, 8, 9 und 10 bezeichnet sind in einem länglichen Wechselwirkungsbereich mit einer Länge L1, wobei die Wellenleiter relativ nahe zueinander in diesem Bereich liegen. Eine auf den Eingang des Wellenleiters auftreffende Lichtwelle P kann mit Hilfe der Elektroden auf den Ausgang jedes Wellenleiters 3 oder 4 gekoppelt werden. Die Lichtwelle besitzt eine beliebige Polarisation und enthält orthogonale Schwingungsmoden TE und TM des Lichtes, die beide geschaltet werden können, wie im folgenden ausführlich beschrieben wird. Ein XYZ- Koordinatensystem bezeichnet die Kristallrichtungen des Wafers 1. Die Kristallstruktur des Wafermaterials ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Ebenso ist hier die Orientierung des rechtwinkligen Koordinatensystems XYZ bezüglich des hexagonalen Einheitszellensystems gezeigt, das normalerweise für das Material mit seinem zugeordneten kristallografischen a, b, c Koordinatensystem verwendet wird. Die Achsen in diesem Koordinatensystem sind so gewählt, daß die X-Achse in die Richtung der kristallografischen Achse a zeigt und die Z-Achse in die Richtung der kristallografischen Achse c zeigt, die die optische Achse ist. Eine ausführlichere Beschreibung des Kristallaufbaus für Lithium-Niobat kann beispielsweise in der J.Phys.Chem.Solids,Pergamon Press 1966, Vol. 27, Seiten 997- 1012, "Ferroelectric Lithium Niobate.3.Single Crystal X-ray Diffraction Study at 24ºC" gefunden werden.
  • Fig. 2 zeigt die Anordnung der Elektroden und der Wellenleiter in dem Wechselwirkungsbereich für den Richtkoppler in dem gewählten Ausführungsbeispiel mit größeren Einzelheiten. Der Mittelabschnitt des Wechselwirkungsbereichs, der eine Länge L2 aufweist, enthält die Abschnitte 3a und 4a der Wellenleiter 3 und 4, wobei diese Abschnitte zueinander parallel sind. Der Abstand zwischen den Wellenleiterabschnitten 3a und 4a besitzt eine Breite D3 in dem Mittelabschnitt des Wechselwirkungsbereichs. An beiden Enden dieses Bereichs besitzen die Wellenleiter 3 und 4 auseinanderlaufende bogenförmige Teile 3b und 4b. Die bogenförmigen Teile 3b und 4b sind hier in der Form von Kreisbögen mit einem Radius R. Von den sechs Elektroden 5-10 befinden sich zwei Mittelelektroden 6 und 9 in dem Raum zwischen den Wellenleitern, zwei äußere Elektroden 5 und 10 auf einer Seite der Wellenleiter 3 und 4 und zwei äußere Elektroden 7 und 8 auf der anderen Seite von beiden Wellenleitern. Die Elektroden sind spiegelsymmetrisch bezüglich einer Mittellinie durch den Wechselwirkungsbereich transversal zu den parallelen Abschnitten 3a und 4a der Wellenleiter. Diese Mittellinie unterteilt die Elektroden in zwei Abschnitte S1 und S2 mit einem Abschnitt an jedem Ende des Wechselwirkungsbereichs. Diejenigen der Längskanten der Elektroden 5-10, die auf einen der Wellenleiter 3 und 4 gerichtet sind, folgen die Konturlinien der Wellenleiter. Die Kanten der Elektroden befinden sich in einem kleinen Abstand von diesen Konturlinien, so daß sich ein Bereich mit einer Breite D1 von ungefähr 1um zwischen den Elektroden und den Wellenleitern ergibt.
  • Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Kopplers entsprechend Fig. 1 und 2. Der Querschnitt ist entlang eines Abschnitts F-F durch die Elektroden 5, 6 und 7 und durch die parallelen Abschnitte 3a und 4a der Wellenleiter 3 und 4 genommen. Wie erwähnt, sind diese in die obere Oberfläche des Wafers 1 eindiffundiert, wobei diese Oberfläche mit einer Bufferschicht 11, beispielsweise Quarz, überzogen ist. Die Elektroden des Kopplers liegen über der Bufferschicht 11 und ein Elektrodenabschnitt S1, der die Elektroden 5, 6 und 7 enthält, ist in der Figur dargestellt. Eine Spannungsquelle 12 besitzt einen positiven Pol, der mit der Mittelelektrode 6 verbunden ist, und einen negativen Pol, der mit sowohl dem positiven Pol einer Spannungsquelle 13 als auch mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle 14 verbunden ist. Die Spannungsquelle 13 besitzt einen negativen Pol, der mit einer äußeren Elektrode 5 verbunden ist, und der positive Pol der Spannungsquelle 14 ist mit der äußeren Elektrode 7 verbunden. Die Spannungsquellen erzeugen zwischen den Elektroden ein erstes elektrisches Feld E3 und ein zweites elektrisches Feld E1, E2 durch die Wellenleiter 3 und 4. Die Elektroden 8, 9 und 10 in dem anderen Elektrodenabschnitt S2 sind mit Spannungsquellen, wie in Fig. 2 dargestellt, verbunden. Eine Spannungsquelle 15 besitzt einen negativen Pol, der mit der Mittelelektrode 9 verbunden ist, und einen positiven Pol, der sowohl mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle 16 als auch mit dem negativen Pol einer Spannungsguelle 17 verbunden ist. Die Spannungsquelle 16 besitzt einen negativen Pol, der mit der äußeren Elektrode 10 verbunden ist, und die Spannungsquelle 17 ist durch ihren negativen Pol mit der äußeren Elektrode 8 verbunden. Diese Spannungsquellen erzeugen elektrische Felder durch die Wellenleiter 3 und 4 in einer entsprechenden Art und Weise, wie dies die Spannungsquellen 12, 13 und 14 entsprechend der obigen Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 3 durchführen.
  • In Fig. 4a ist der Verlauf des zweiten elektrischen Feldes E1, E2 in den Abschnitten 3a und 4a ausführlicher dargestellt. Fig. 4b zeigt den Verlauf des ersten elektrischen Feldes E3 in diesen Wellenleitern, und Fig. 4c zeigt das Summenfeld E der elektrischen Felder E1, E2 und E3. Die Richtung der Abszisse in den drei Diagrammen stimmt mit der obenerwähnten Z-Achse überein. Das zweite elektrische Feld E1 und E2, das durch die Spannungsquelle 12 erzeugt ist, bewirkt eine asymmetrische Störung der Lichtausbreitungskonstanten in den Wellenleitern. Diese Störung hat eine sogenannte Δβ-Modulation des Kopplers zufolge, wie beispielsweise in dem Journal of Optical Communications, 5(1984) 4, Seiten 122-131, H.F. Schlaak: "Modulation Behaviour of Integrated Optical Directional Couplers" beschrieben. Das erste Feld E3 bewirkt eine gleichmäßige Störung der Lichtausbreitungskonstanten und erzeugt eine sogenannte Δæ-Modulation des Kopplers, die ebenso in der obenerwähnten Bezugsquelle (Journal of Optical Communications) beschrieben ist. Die elektrischen Felder durch die bogenförmigen Teile 3b und 4b der Wellenleiter besitzen im wesentlichen den gleichen Verlauf wie in Fig. 4a, 4b und 4c. Jedoch wird eine Kreuzung der Wellenleiter durch ihre gegenseitige Beabstandung bewirkt und durch aufeinanderfolgendes Ändern der Beabstandung wird ein gewichtetes Koppeln zwischen den Wellenleitern erreicht. Dieses gewichtete Koppeln wird beispielsweise in Appl. Phys. Lett. 35(10), 15. November 1979, Seiten 748-750, R.C. Alferness: "Polarization Independent Optical Directional Coupler Switch using Weighted Coupling" beschrieben. Die dargestellten elektrischen Felder E1, E2 und E3 in dem Abschnitt S1 des Kopplers entsprechen elektrischen Feldern in dem Abschnitt S2, obwohl die Spannungsquelle 15 hier eine umgekehrte Polarität zu der Spannungsquelle 12 im Abschnitt 1 besitzt.
  • Die Funktion des erfindungsgemäßen Kopplers wird nun unter Bezugnahme auf einen Artikel in der Zeitschrift IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-12, No.7, Juli 1976, Seiten 396-401, H. Kogelnik und R.V. Schmidt; "Switched Directional Couplers with Alternating Δβ" beschrieben. In Fig. 4 dieses Artikels ist ein Diagramm gezeigt, das das Prinzip zum Koppeln zwischen den Wellenleitern in einem Richtkoppler mit zwei Elektrodenabschnitten beschreibt. Der Einzelkristallwafer des in diesem Artikel beschriebenen Richtkopplers besitzt eine Orientierung von Kristallachsen X, Y, Z, die von der für den Richtkoppler gemäß Fig. 2 beschriebenen Kristallorientierung abweicht. Jedoch ist dieses Diagramm wenigstens prinzipiell auf den vorliegenden Richtkoppler anwendbar, und ein entsprechendes Diagramm ist in Fig. 6 gezeigt. Hier ist die Abszisse in standardmäßige Einheiten unterteilt, wobei Δβ die erwähnte Fehlübereinstimmung der Lichtausbreitungskonstanten in den Wellenleitern bezeichnet. LE bezeichnet die effektive Länge des Wechselwirkungsbereichs, wobei LE zwischen L1 und L2 liegt, und LC auf der Ordinate die Koppellänge bezeichnet. Eine Kurve C1 bezeichnet die Positionen in dem Diagramm, für die sich der Richtkoppler in seinem Kreuzungszustand befindet, welches durch ein Symbol an der Kurve C1 bezeichnet ist. Die zwei Kurven C2 und C3 bezeichnen die Positionen in dem Diagramm, für die sich der Koppler in seinem geraden Durchzustand oder Grundzustand befindet, der mit einem Symbol Θ bezeichnet wird. Die TE- und TM-Modepolarisationen der ankommenden Lichtwelle P entsprechend Fig. 1 besitzen, wie oben erwähnt, unterschiedliche Kreuzungslängen. Bei dem erfindungsgemäßen Koppler ist LE etwas größer als die Kreuzungslänge LC für den TE-Mode gewählt. Dies ist durch einen Punkt A1 in Fig. 6 bezeichnet, und die entsprechende Position für den TM-Mode ist durch einen Punkt B1 angezeigt. In dem in den Figuren dargestellten Beispiel, ist LE/LC=1,2 für den TE-Mode und LE/LC=2,9 für den TM-Mode. Alle Elektroden 5-10 befinden sich an den Punkten A1 und B1 auf keinerlei Spannung. Sowohl der TE-Mode als auch der TM-Mode für die einfallende Lichtwelle P auf den Wellenleiter 3 werden zu einem gewissen Ausmaß auf dem Wellenleiter 4 überkreuzt, während ein Teil der Lichtwelle in dem Wellenleiter 3 bleibt. Um eine vollständige Überkreuzung bzw. Kopplung zu dem Wellenleiter 4 zu erreichen, d.h. den Kreuzungszustand, werden die Spannungsquellen 12-17 (gemäß Fig. 2) mit den Elektroden verbunden. Die Spannungsquellen 12 und 15 besitzen dann eine Spannung V0, die den Zustand des Kopplers durch die Δβ- Modulation an einem Punkt A2 für den TE-Mode und an einem Punkt B2 für den TM-Mode verschiebt. Diese Verschiebungen besitzen unterschiedliche Größen für beide Moden in Abhängigkeit von unterschiedlichen Größen der r-Koeffizienten entsprechend der obenerwähnten Bezugsquelle in dem Journal of Optical Communications. Bei dem vorliegenden Koppler aus Lithium-Niobat mit X-Vorzugsrichtung besitzt der r-Koeffizient für den TM-Mode die Größe r&sub1;&sub3; = 10 x10&supmin;¹² m/V, während der entsprechende Koeffizient für den TE-Mode gleich r&sub3;&sub3; = 30x 10&supmin;¹² m/V für Licht mit einer Wellenlänge der Größe von 1 um ist Die Spannungsquellen 13, 14, 16 und 17 besitzen eine Spannung von 1/2V1 und verschieben den Kopplerzustand durch die Δæ-Modulation auf einen Punkt A3 für den TE-Mode und auf einen Punkt B3 für den TM-Mode. Die Punkte A3 und B3 befinden sich beide auf der Kurve C1 für den Kreuzungszustand. Durch eine geeignete Einstellung der Spannungen V0 und V1, kann der Grundzustand bei einer sehr geringen Nebensprechung zwischen den Wellenleitern 3 und 4 erreicht werden. Um den Kreuzungszustand zu erreichen, werden die Spannungen der Spannungsquellen 12 und 15 auf einen Wert V2 erhöht, und die Spannungsquellen 13, 14, 15, 16 und 17 werden kurzgeschlossen. Der Kopplerzustand wird somit auf einen Punkt B4 für den TM- Mode auf der Kurve C3 verschoben. Der Grundzustand des Kopplers für den TE-Mode wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben. Diese Figur zeigt ein Diagramm entsprechend dem Diagramm in Fig. 6 mit Begrenzungslinien CN für den kombinierten Bereich, in dem der Koppler sich in dem Grundzustand mit einer Nebensprechdämpfung von weniger als -20dB befindet. Dieser Bereich ist durch die Schraffierung benachbart zu der Abszisse in Fig. 7 bezeichnet. Die Unterteilung der Achsen folgt der Unterteilung gemäß Fig. 6, und die Kurven C2 und C3 sind darin gezeichnet. Der Zustand des TE-Mode wird auf einen Punkt A4 verschoben, wobei der Abstand A1-A4 ungefähr dreimal so groß wie der Abstand B1-B4 ist, in Abhängigkeit von der Größe der r-Koeffizienten, wie oben erwähnt. Der Koppler ist lediglich durch die Verwendung von Δβ-Modulation in seinen Grundzustand eingestellt worden. Eine Δæ-Modulation kann für diesen Zustand ebenso verwendet werden, beispielsweise um den Zustand für den TE-Mode von dem Punkt A4 auf einen Punkt A5 mit geringerer Nebensprechdämpfung zu verschieben.
  • In Zusammenhang mit den Fig. 6 und 7 ist beschrieben worden, wie der Koppler als ein polarisationsunabhängiger Koppler verwendet wird. Sowohl der TE- als auch der TM-Mode werden vollständig zwischen den Wellenleitern 3 und 4 überkreuzt gekoppelt. Der erfindungsgemäße Koppler kann ebenso zum Polarisationsaufteilen der Lichtwelle P zwischen den Wellenleitern 3 und 4 verwendet werden, wie im folgenden in Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben wird. Die TE- und TM-Mode- Polarisationen der ankommenden Lichtwelle P gemäß Fig. 1 besitzen verschiedene Überkreuzungslängen, wie oben beschrieben. Für den erfindungsgemäßen Koppler wird LE etwas größer gewählt als die Überkreuzungslänge LC für den TE-Mode. Dies wird durch einen Punkt A11 in Fig. 8 angezeigt, und die entsprechende Position für den TM-Mode wird durch einen Punkt B11 angezeigt. In dem in den Figuren dargestellten Beispiel ist LE/LC=1,2 für den TE-Mode, und LE/LC=2,7 gilt für den TM- Mode. Alle Elektroden 5-10 sind an den Punkten A11 und B11 mit keinen Spannungen verbunden. Sowohl der TE-Mode als auch der TM-Mode für die ankommende Lichtwelle P auf dem Wellenleiter 3 werden zu einem gewissen Ausmaß auf den Wellenleiter 4 gekoppelt, während ein Teil der Lichtwelle in dem Wellenleiter 3 bleibt. Um eine vollständige Kopplung des TM-Modes auf den Wellenleiter 4 und den vollständigen Grundzustand für den TE- Mode in dem Wellenleiter 3 zu erreichen, werden Spannungsquellen 12-17 (gemäß Fig. 2) mit den Elektroden verbunden. Die Spannungsquellen 12 und 15 besitzen dann eine Spannung V10, die den Zustand des Kopplers über die Δβ- Modulation auf einen Punkt A12 für den TE-Mode und einen Punkt B12 für den TM-Mode verschiebt. Diese Verschiebungen besitzen unterschiedliche Größen für beide Moden, in Abhängigkeit von unterschiedlichen Größen der r-Koeffizienten gemäß der oben zitierten Bezugsquelle in den Journal of Optical Communications. Bei dem vorliegenden Koppler aus Lithium- Niobat mit X-Vorzugsrichtung besitzt der r-Koeffizient für den TM-Mode die Größe r&sub1;&sub3; = 10 x 10&supmin;¹² m/V, während der entsprechende Koeffizient für den TE-Mode r&sub3;&sub3; = 30 x 10&supmin;¹² m/V für Licht mit einer Wellenlänge der Größe 1um ist. Die Spannungsquellen 13, 14, 16 und 17 besitzen eine Spannung V11 und verschieben durch die Δæ-Modulation den Kopplerzustand auf einen Punkt A13 für den TE-Mode und auf einen Punkt B13 für den TM-Mode. Der Punkt A13 ist auf der Kurve C1 für den Grundzustand und der Punkt B13 ist auf der Kurve C1 für den Überkreuzungszustand. Durch geeignete Einstellung der Spannungen V10 und V11 kann eine Polarisationsaufteilung bei einer sehr geringen Nebensprechdämpfung zwischen den Wellenleitern 3 und 4 erreicht werden. Die genaue Größe der Spannungen V10 und V11 kann mittels eines iterativen Verfahrens ermittelt werden, bei dem die Ausgangsintensitäten der TE- und TM-Moden in den jeweiligen Wellenleitern 3 und 4 gemessen werden und die Spannungen V10 und V11 unter Berücksichtigung des Diagramms in Fig. 8 geändert werden.
  • Eine andere Ausführungsform des Kopplers gemäß der Erfindung mit einer anderen Orientierung der Kristallrichtungen ist schematisch in einer perspektivischen Ansicht in Fig. 9 gezeigt. Ein Einkristallwafer 101, beispielsweise Lithium- Niobat oder Lithium-Tantalat weist zwei optische Wellenleiter 103 und 104 auf seiner oberen Oberfläche 102 auf. Der Koppler besitzt acht mit den Bezugszeichen 105-112 bezeichnete Elektroden in einem länglichen Wechselwirkungsbereich mit einer Länge L3, wobei die Wellenleiter relativ nah zueinander in diesem Bereich liegen. Die auf den Eingang des Wellenleiters 103 einfallende Lichtwelle P kann auf den Ausgang entweder des Wellenleiters 103 oder 104 gekoppelt werden oder seine Polarisation kann zwischen den Wellenleitern 103 und 104 mit Hilfe der Elektroden aufgeteilt werden, wie im folgenden ausführlich beschrieben. Das XYZ-Koordinatensystem bezeichnet die Kristallrichtungen des Wafers 101.
  • Fig. 10 zeigt die Anordnung der Elektroden und Wellenleiter in dem Wechselwirkungsbereich für den Richtkoppler in dem anderen Ausführungsbeispiel in größeren Einzelheiten. Der Mittelabschnitt des Wechselwirkungsbereichs, wobei dieser Bereich eine Länge L4 aufweist, enthält die Abschnitte 103a und 104a der Lichtwellenleiter 103 und 104, wobei diese Abschnitte zueinander parallel ausgerichtet sind. Der Raum zwischen den Wellenleiterabschnitten 103a und 104a besitzt eine Breite D4 in dem Mittelabschnitt des Wechselwirkungsbereichs. An beiden Enden dieses Bereichs besitzen die Wellenleiter 103 und 104 Bogenteile 103b und 104b, die nach außen auseinanderlaufen. Die Bogenteile 103b und 104b sind hier in der Form von kreisförmigen Bögen mit einem Radius R1. Von den acht Elektroden 105-112 liegen vier innere Elektroden 106, 107, 110 und 111 über den Wellenleitern 103 und 104, zwei äußere Elektroden 105 und 112 sind auf einer Seite und zwei äußere Elektroden 108 und 109 auf der anderen Seite von beiden Wellenleitern angeordnet. Diese Elektroden sind spiegelsymmetrisch zu einer Mittellinie durch den Wechselwirkungsbereich transversal zu den parallelen Abschnitten 103a und 104a der Wellenleiter. Diese Mittellinie unterteilt die Elektroden in zwei Abschnitte S3 und S4 mit einem Abschnitt an jedem Ende des Wechselwirkungsbereichs.
  • Tn Fig. 11 ist ein Querschnitt des Kopplers gemäß Fig. 9 und 10 gezeigt. Der Querschnitt ist entlang einem Schnitt G-G durch die Elektroden 105, 106, 107 und 108 und durch die parallelen Abschnitte 103a und 104a der Wellenleiter 103 und 104 genommen. Wie erwähnt, sind diese in die obere Oberfläche des Wafers 101 eindiffundiert, wobei diese Oberfläche mit einer Bufferschicht 113 beispielsweise Quarz beschichtet ist. Die Elektroden des Kopplers liegen über der Bufferschicht 113 und einem Elektrodenabschnitt S3, der die in der Figur dargestellten Elektroden 106-108 enthält. Eine Spannungsquelle 114 und eine Spannungsquelle 117 sind durch ihre negativen Pole mit Masse und durch ihre positiven Polen jeweils mit den äußeren Elektroden 105 und 108 verbunden. Eine Spannungsquelle 115 ist durch ihren negativen Pol mit Masse und durch ihren positiven Pol mit der inneren Elektrode 106 verbunden, und eine Spannungsquelle 116 ist durch ihren positiven Pol mit Masse und durch ihren negativen Pol mit der inneren Elektrode 107 verbunden. Mit Hilfe der Elektroden erzeugen die Spannungsquellen elektrische Felder E4, E5 und E6, die im wesentlichen in der Richtung der optischen Achse Z durch die Wellenleiter 103 und 104 ausgerichtet sind. Die Elektroden 109-112 in dem anderen Elektrodenabschnitt S4 sind mit Spannungsquellen verbunden, wie in Fig. 10 dargestellt. Eine Spannungsquelle 118 und eine Spannungsquelle 121 sind durch ihre negativen Pole mit einem Massepotential und durch ihre positiven Pole jeweils mit den äußeren Elektroden 112 und 109 verbunden. Eine Spannungsquelle 119 ist durch ihren positiven Pol mit Masse und durch ihren negativen Pol mit der inneren Elektrode 111 verbunden, und eine Spannungsquelle 120 ist durch ihren negativen Pol mit Masse und durch ihren positiven Pol mit der inneren Elektrode 110 verbunden. Diese Spannungsquellen erzeugen elektrische Felder durch die Wellenleiter 103 und 104 in einer entsprechenden Weise wie die Spannungsquellen 114-117 gemäß der obigen Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 11.
  • In Fig. 12a ist der Verlauf des elektrischen Feldes E6 in den Wellenleiterabschnitten 103a und 104a deutlicher gezeigt. Fig. 12b stellt den Verlauf der elektrischen Felder E4 und E5 in diesen Wellenleitern dar, und Fig. 12c stellt das Summenfeld E der elektrischen Felder E4, E5 und E6 dar. Die Richtung der Abszisse in den drei Diagrammen stimmt mit der obenerwähnten X-Achse überein. Das elektrische Feld E6, das durch die Spannungsquellen 115 und 116 erzeugt wird, bewirkt eine asymmetrische Störung der Lichtausbreitungskonstanten in den Wellenleitern und die Felder E4 und E5 bewirken eine gerade Störung. Die dargestellten elektrischen Felder E4, E5 und E6 in dem Kopplerabschnitt S3 entsprechen den elektrischen Feldern in Abschnitt S4, wobei die Spannungsquellen 119 und 120 eine umgekehrte Polarität zu den Spannungsquellen 115 und 116 im Abschnitt S3 besitzen.
  • Die Funktion des Kopplers in den Fig. 9, 10 und 11 wird im folgenden in Zusammenhang mit den Diagrammen in Fig. 13, 14 und 15 beschrieben. Diese Diagramme tragen die gleichen Bezeichnungen auf den Achsen wie in dem Diagramm von Fig. 6. Die TE- und TM-Mode-Polarisationen der einfallenden Lichtwelle P gemäß der Fig. 9 besitzen unterschiedliche Kopplungslängen bzw. Überkreuzungslängen, wie oben erwähnt. Für den erfindungsgemäßen Koppler ist LE etwas größer gewählt als die Kopplungslänge LC für den TM-Mode. Dies wird mit einem Punkt A6 in Fig. 13 angezeigt, und die entsprechende Position für den TE-Mode wird durch einen Punkt B6 angezeigt. In dem in den Figuren dargestellten Beispiel, ist LE/LC=1,3 für den TM-Mode und LE/LC=2,7 für den TE-Mode. Alle Elektroden 105-112 sind an den Punkten A6 und B6 mit keinerlei Spannung verbunden. Sowohl der TE-Mode als auch der TM-Mode für die einfallende Lichtwelle P auf der Lichtwelle 103 werden zu einem gewissen Ausmaß auf den Wellenleiter 104 gekoppelt bzw. überkreuzt, während ein Teil der Lichtwelle in dem Wellenleiter 103 bleibt. Um eine vollständige Kreuzung bzw. Kopplung auf den Wellenleiter 104 zu erreichen, d.h. den Kreuzungszustand, werden die Spannungsquellen 114-121 (gemäß Fig. 10) mit den Elektroden verbunden. Die Spannungsquellen 115, 116, 119 und 120 besitzen dann eine Spannung V5, die den Zustand des Kopplers durch die Δβ-Modulation auf einen Punkt A7 für den TM- Mode und auf einen Punkt B7 für den TE-Mode verschiebt. Diese Verschiebungen besitzen verschiedene Größen für beide Moden in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Größen der r-Koeffizienten gemäß der obenerwähnten Bezugsquelle in den Journal of Optical Communications. In dem vorliegenden Koppler aus Lithium-Niobat mit Z-Schnittrichtung bzw. Z-Vorzugsrichtung besitzt der r-Koeffizient für den TE-Mode die Größe r&sub1;&sub3; = 10 x 10&supmin;¹² m/V, während der entsprechende Koeffizient für den TM-Mode r&sub3;&sub3; = 32 x 10&supmin;¹² m/V für Licht mit einer Wellenlänge der Größe 1um ist. Die Spannungsquellen 114, 117, 118 und 121 besitzen eine Spannung V6 und verschieben den Kopplerzustand auf einen Punkt A8 für den TM-Mode und auf einen Punkt B8 für den TE-Mode durch die Δæ-Modulation. Die Punkte A8 und B8 sind beide auf der Kurve C1 für den Kreuzungszustand. Durch geeignete Einstellung der Spannungen V5 und V6 kann der Kreuzungszustand bei einer sehr geringen Nebensprechdämpfung zwischen den Wellenleitern 103 und 104 erreicht werden. Die genaue Größe der Spannungen V5 und V6 kann durch ein iteratives Verfahren gesucht werden, bei dem die abgehende Lichtintensität für die TM-Moden gemessen wird und die Spannungen V5 und V6 unter Anleitung aus dem Diagramm in Fig. 13 geändert werden. Um den Grundzustand zu erreichen, wird die Polarität der Spannungsquellen 119 und 120 umgedreht, die Spannung der Spannungsquellen 115, 116, 119 und 120 wird auf einen Wert V7 erhöht und die Spannungsquellen 114, 117, 118 und 121 werden kurzgeschlossen. Der Kopplerzustand wird somit auf einen Punkt B9 für den TE-Mode auf der Kurve C3 verschoben. Der Grundzustand des Kopplers für den TM-Mode wird unter Bezugnahme auf Fig. 14 beschrieben. Diese Figur zeigt ein Diagramm entsprechend dem Diagramm in Fig. 13 mit den Begrenzungslinien CN für den kombinierten Bereich, in dem sich der Koppler in dem Grundzustand mit einer Nebensprechdämpfung von weniger als -20dB befindet. Dieser Bereich wird durch die der Abszisse in Fig. 14 am nächsten liegende Schraffierung angezeigt. Die Unterteilung der Achsen folgt der Unterteilung gemäß Fig. 13 und die Kurven C2 und C3 sind darin gezeichnet. Der Zustand des TM-Mode wird auf einen Punkt A9 verschoben, wobei der Abstand A6-A9 ungefähr dreimal so groß ist, wie der Abstand B6-B9 in Abhängigkeit von der Größe der r-Koeffizienten, wie oben erwähnt. Der Koppler ist in seinen Grundzustand lediglich durch die Verwendung einer Δβ-Modulation gebracht worden. Δæ-Modulation kann für diesen Zustand ebenso verwendet werden, beispielsweise um den Zustand für den TM- Mode von dem Punkt A9 auf einen Punkt A10 mit geringer Nebensprechdämpfung zu verschieben.
  • Der Koppler in Fig. 9 kann auch zum Polarisationsteilen der Lichtwelle P zwischen den Wellenleitern 103 und 104 verwendet werden, wie im folgenden in Zusammenhang mit Fig. 15 beschrieben wird. Sowohl die TE- als auch die TM-Mode- Polarisationen der einfallenden Lichtwelle P in Fig. 9 besitzen verschiedene Kopplungslängen, wie oben erwähnt. In dem erfindungsgemäßen Koppler wird LE etwas größer gewählt als die Kopplungslänge LC für den TM-Mode. Dies wird mit einem Punkt A16 in Fig. 15 angezeigt, und die entsprechende Position für den TE-Mode wird durch einen Punkt B16 angezeigt. Für das in den Figuren dargestellte Beispiel ist LE/LC=1,2 für den TM- Mode und LE/LC=2,7 für den TE-Mode. Alle Elektroden 105-112 sind an den Punkten A16 und B16 mit keinen Spannungen verbunden. Sowohl die TE- als auch die TM-Moden für die einfallende Lichtwelle P auf den Wellenleitern 103 werden zu einem gewissen Ausmaß auf den Wellenleiter 104 gekoppelt, während ein Teil der Lichtwelle in dem Wellenleiter 103 verbleibt. Um eine vollständige Kopplung des TE-Modes auf den Wellenleiter 104 und einen vollständigen Grundzustand für den TM-Mode in dem Wellenleiter 103 zu erreichen, werden die Spannungsquellen 114-121 gemäß Fig. 10 mit den Elektroden verbunden. Die Spannungsquellen 115, 116, 119 und 120 besitzen hier eine Spannung V12, die den Kopplerzustand auf einen Punkt A17 für den TM-Mode und auf einen Punkt B17 für den TE-Mode durch die Δæ-Modulation verschiebt. Diese Verschiebungen besitzen unterschiedliche Größen für beide Moden, wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Die Spannungsquellen 114, 117, 118 und 121 besitzen eine Spannung V13 und verschieben den Zustand des Kopplers auf einen Punkt A18 für den TM-Mode und einen Punkt B18 für den TE-Mode durch die Δæ-Modulation. Der Punkt A18 befindet sich auf der Kurve C3 für den Grundzustand, und der Punkt B18 befindet sich auf der Kurve C1 für den Kreuzungszustand. Durch eine geeignete Einstellung der Spannungen V13 und V12 kann in dieser Art mit sehr geringer Nebensprechdämpfung eine Polarisationsteilung in die jeweiligen Polarisationen TM und TE zwischen den Wellenleitern 103 und 104 erreicht werden. Die genaue Größe der Spannungen V12 und V13 kann durch ein iteratives Verfahren ermittelt werden, bei dem die Ausgangslichtintensität für die TM- und TE-Moden gemessen wird und die Spannungen V12 und V13 unter Anleitung des Diagramms in Fig. 15 geändert werden.
  • Eine alternative Ausführungsform des Kopplers gemäß Fig. 1 und 9 wird erhalten, wenn die Wellenleiter gerade und parallel über den gesamten Wechselwirkungsbereich angeordnet sind. Die gewichtete Kreuzung zwischen den Wellenleitern wird hier nicht verwendet, und die Größe des Bereichs in Fig. 7 und 14 mit einer geringeren Nebensprechdämpfung als -20 dB wird kleiner. In weiteren Ausführungsformen weicht die Konfiguration der Elektroden von den in Fig. 2 und Fig. 10 dargestellten ab. Die Elektrode 5 in Fig. 2 kann mit der Elektrode 10 verbunden werden, während die Elektrode 7 mit der Elektrode 8 verbunden wird. Die Mittelelektroden 6 und 9 können ebenso miteinander verbunden werden, falls die äußeren Elektroden 5, 10 und 7, 8 in die Abschnitte S1 und S2, wie in Fig. 2 dargestellt, unterteilt werden. Es kann außerdem zugelassen sein, daß die Kanten der Elektroden über die Wellenleiter herausstehen, so daß ein enger Kantenbereich der Wellenleiter bedeckt wird. Die Elektrode 105 in Fig. 10 kann mit der Elektrode 112 verbunden werden, während die Elektrode 108 mit der Elektrode 109 verbunden wird. Entsprechend der Beschreibung in der obenerwähnten Bezugsquelle in den Journal of Quantum Electronics 1976, H. Kogelnik und R.V. Schmidt, kann ein erfindungsgemäßer Richtkoppler mehrere Abschnitte als die zwei S1, S2 und S3, S4 aufweisen, die jeweils in Fig. 2 und 10 dargestellt sind.
  • Die in Zusammenhang mit Fig. 1 und 9 beschriebenen polarisationsteilenden Koppler können ebenso in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kombinieren zweier orthogonal polarisierter Lichtwellen in eine gemeinsame Lichtwelle verwendet werden. In Fig. 1 ist eine Lichtwelle PTE gezeigt, die nur den TE-Mode enthält, und eine Lichtwelle PTM, die nur den TM-Mode enthält. Die Lichtwelle PTE fällt auf die Wellenleiter 3 ein und wird direkt an den Ausgang des Wellenleiters 3, wie in Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben, weitergeleitet. Die Lichtwelle PTM fällt auf den Wellenleiter 4 ein und wird auf den Ausgang des Wellenleiters 3 in einer ähnlichen Weise, wie in Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben, gekoppelt. Beide Lichtwellen PTE und PTM werden in eine Lichtwelle PEM kombiniert, die von dem Ausgang des Wellenleiters 3 gesendet wird.
  • Bei vielen Anwendungen von Kopplern ist es wünschenswert, eine einfallende Lichtwelle zwischen den Ausgängen des Kopplers mit dem gleichen Energiebetrag an beiden Ausgängen, eine sogenannten 3-dB-Kreuzung bzw. Kopplung zu verteilen. Eine derartige Verteilung kann mit Hilfe des obenerwähnten Kopplers stattfinden. Die Spannungsquellen 12 und 15 gemäß Fig. 2 besitzen hier eine Polspannung V3, die eine Δæ-Modulation erreicht, und die Spannungsguellen 13, 14, 15, 16 und 17 besitzen eine Polspannung V4, die eine Δæ-Modulation bewirkt. Durch geeignete Auswahl der Polarität und Größe der Spannungen V3 und V4 kann der Zustand des Kopplers auf einen Zustand mit einer 3-dB-Kreuzung für sowohl TE- als auch TM-Moden in der einfallenden Lichtwelle P verschoben werden. Andere gewünschte Kopplungszustände können durch Auswahl der Polspannungen und Polaritäten der Spannungsquellen erreicht werden, wobei die Polaritäten allgemein von den in Fig. 2 gezeigten abweichen. Ebenso kann der Koppler in Fig. 9 und 10 in einer entsprechenden Art für eine 3-dB-Kopplung angeordnet werden.
  • Ein Lithium-Niobat-Koppler der anderen Ausführungsform mit geraden Wellenleitern in dem gesamten Wechselwirkungsbereich und mit einer Orientierung der Kristallachsen wie in Fig. 1 ist experimentell untersucht worden. Für diesen Koppler war die Länge L1=10mm, L1/LC=1,2 für den TE-Mode und L1/LC=3,1 für den TM-Mode. Die Nebensprechdämpfung war kleiner als -24dB für beide Moden in sowohl den Kreuzungs- als auch den Grundzuständen. Der Kreuzungszustand wurde für die Spannungen V0=2V und V1=30V erreicht, und der Grundzustand wurde bei der Spannung V2=20V erreicht.
  • Die obenbeschriebenen Koppler besitzen mehrere Vorteile in Vergleich mit bekannten polarisationsteilenden und polarisationsunabhängigen Kopplern. Die Wellenleiter in Richtkopplern sind normalerweise an ihren Enden außerhalb des Wechselwirkungsbereichs bogenförmig, um den Abstand zu vergrößern und eine Kreuzung zwischen den Wellenleitern zu unterbinden. Die bogenförmigen Teile der Wellenleiter können entsprechend der Erfindung verwendet werden, um einen Richtkoppler mit geringer Nebensprechdämpfung zu schaffen. Eine Herstellung der Elektroden mit den in einer normalen Produktion verfügbaren Herstellungshilfen wird durch Verwendung von kreisförmigen Bögen für die bogenförmigen Teile erleichtert. Geringere Anforderungen können an die Herstellungsgenauigkeit gestellt werden, da der Grundzustand und insbesondere der Kreuzungszustand für sowohl TE- als auch TM-Moden unter Verwendung von sowohl Δβ- als auch Δæ- Modulation eingestellt werden kann. Die zwischen den Elektroden des Kopplers benötigten Spannungen sind dafür relativ gering. Der Vorteil wird erreicht, indem die Kristallorientierung des Einzelkristallwafers so gewählt wird, daß die zum Ändern der Ausbreitung des Lichtes verwendeten r-Koeffizienten große Werte annehmen. Die Kopplerelektroden sind neben den Wellenleitern angeordnet. Dies hat den Vorteil zur Folge, daß die Bufferschicht 11 des Kopplers ausgeschlossen werden kann, wenn ein geeignetes Material beispielsweise Indium-Zinnoxyd für die Elektroden gewählt wird. In dieser Weise hergestellte Elektroden verursachen nur eine normale Dämpfung der Lichtwelle in den Wellenleitern trotz der Tatsache, daß keine Bufferschicht vorhanden ist.

Claims (6)

1. Optoelektronischer Polarisationsrichtkoppler, umfassend:
- einen Einzelkristallwafer (101) aus doppelbrechendem Material mit einer optischen Achse (Z),
- einen länglichen Wechselwirkungsbereich (L3) auf der oberen Oberfläche (102) des in wenigstens zwei transversale Abschnitte (S3, S4) unterteilten Wafers,
- zwei optische Wellenleiter (103, 104), die sich in dem Wechselwirkungsbereich in der Längsrichtung davon bei einem gewissen gegenseitigen Abstand (D4) erstrecken;
- eine Elektrodeneinrichtung (105, 112), die in dem Wechselwirkungsbereich (L3) angeordnet ist, wobei die Elektrodeneinrichtung in jedem Abschnitt (S3, S4) wenigstens drei Elektroden aufweist, die sich entlang der Wellenleiter (103, 104) über im wesentlichen die gesamte Länge ihres jeweiligen Abschnitts (S3, S4) erstrecken und Verbindungen für elektrische Spannungsquellen (114-121) besitzen, wobei die optische Achse (Z) in die transversale Richtung der Wellenleiter gerichtet ist und sich die Wellenleiter in die Y-Richtung des Kristalls erstrecken, um Lichtwellen (P) zu schalten, deren orthogonale Polarisationsrichtungen (TE, TM) beliebige Stärken zueinander besitzen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Elektrodeneinrichtung in jedem der Abschnitte (S3, S4) eine innere Elektrode (106, 107, 110, 111) über jedem der Wellenleiter (103, 104) und eine äußere Elektrode (105, 108, 109, 112) auf beiden Seiten der Wellenleiter besitzt, wobei die optische Achse (Z) im wesentlichen senkrecht zu der oberen Oberfläche (102) des Wafers (101) angeordnet ist,
- die Spannungsquellen (114, 121) ein erstes elektrisches Feld (E4, E5) zwischen jeder der inneren Elektroden (106, 107, 110, 111) und der jeweiligen benachbarten äußeren Elektrode (105, 108, 109, 112) erzeugt, wobei dieses Feld in den Wellenleitern (103, 104) im wesentlichen parallel zu der optischen Achse (Z) ist und die gleiche Richtung in allen Abschnitten (S3, S4) und in beiden Wellenleitern zum Andern der Kopplungslänge (LC) des Kopplers besitzt, und die Spannungsquellen (114-121) außerdem ein zweites elektrisches Feld (E6) zwischen den inneren Elektroden (103, 104, 110, 111) erzeugen, wobei das Feld in den Wellenleitern (103, 104) im wesentlichen parallel zur optischen Achse (Z) ist und eine Richtung in einem der Wellenleiter (103) besitzt, die entgegengesetzt zu der Richtung des zweiten elektrischen Feldes (E6) in dem anderen Wellenleiter (104) in ein und demselben Abschnitt (S3, S4) zum Andern des Unterschieds zwischen den Ausbreitungskonstanten (Δβ) der Wellenleiter ausgerichtet ist, und
- die Feldstärken des ersten (E4, E5) und des zweiten (E6) elektrischen Feldes eine Größe besitzen, derart, daß beide Polarisationsrichtungen (TE, TM) der Lichtwellen (P) einzeln zwischen den Wellenleitern (103, 104) auf ein gewünschtes Ausmaß gekoppelt werden.
2. Optoelektronischer polarisationsrichtkoppler, umfassend:
- einen Einzelkristallwafer (1) aus doppelbrechendem Material mit einer optischen Achse (Z),
- einen länglichen Wechselwirkungsbereich (L1) auf der oberen Oberfläche (2) des in wenigstens zwei transversale Abschnitte (S1, S2) unterteilten Wafers,
- zwei optische Wellenleiter (3, 4), die sich in dem Wechselwirkungsbereich in der Längsrichtung davon in einem Abstand (D3) zueinander erstrecken,
- eine Elektrodeneinrichtung (5-10), die in dem Wechselwirkungsbereich (L1) angeordnet ist, wobei die Elektrodeneinrichtung in jedem der Abschnitte (S1, S2) wenigstens drei Elektroden besitzt, die sich entlang der Wellenleiter (3, 4) über im wesentlichen die gesamte Länge ihres jeweiligen Abschnitts erstreckt und Verbindungen für elektrische Spannungsquellen (12-17) aufweisen, wobei die optische Achse (Z) in die transversale Richtung der Wellenleiter gerichtet ist und sich die Wellenleiter in die Y-Richtung des Kristalls erstrecken, um Lichtwellen (P) zu schalten, wobei die orthogonalen Polarisationsrichtungen (TE, TM) davon beliebige Stärken zueinander besitzen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Elektrodeneinrichtung in jedem der Abschnitte (S1, S2) eine Mittelelektrode (6, 9) in dem Raum zwischen den Wellenleitern (3, 4) und eine äußere Elektrode (5, 7, B, 10) auf beiden Seiten der Wellenleiter besitzt, wobei die optische Achse (Z) im wesentlichen parallel zu der oberen Oberfläche (2) des Wafers (1) angeordnet ist,
- die Spannungsquellen (12, 17) ein erstes elektrisches Feld (E3) zwischen den äußeren Elektroden (5, 7, 8, 10) erzeugen, wobei dieses Feld in den Wellenleitern (3, 4) im wesentlichen parallel zu der optischen Achse (Z) ist und die gleiche Richtung in allen Abschnitten (S1, S2) besitzt und in beiden Wellenleitern zum Ändern der Kopplungslänge (LC) des Kopplers vorgesehen sind, und die Spannungsquellen (12-17) ebenso ein zweites elektrisches Feld (E1, E2) zwischen der Mittelelektrode (6, 9) und den äußeren Elektroden (5, 7, 8, 10) erzeugen, wobei das Feld in den Wellenleitern im wesentlichen parallel zu der optischen Achse (Z) ist und eine Richtung in einem der Wellenleiter (3) besitzt, die entgegengesetzt zu der Richtung des zweiten elektrischen Feldes (E1, E2) in dem anderen Wellenleiter (4) in ein und demselben Bereich (S1, S2) ist, um den Unterschied zwischen den Ausbreitungskonstanten (Δβ) der Wellenleiter zu ändern, und
- die Feldstärken der ersten (E3) und der zweiten (E1, E2) elektrischen Felder eine Größe besitzen, derart, daß beide Polarisationsrichtungen (TE, TM) der Lichtwellen (P) einzeln auf ein gewünschtes Ausmaß zwischen den Wellenleitern (3, 4) gekoppelt werden.
3. Optoelektronischer Polarisationsrichtkoppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des zweiten elektrischen Feldes (E1, E2; E6) in einem der Wellenleiter (3; 103) in einem der Abschnitte (S1; S3) entgegengesetzt zu seiner Richtung in dem gleichen Wellenleiter (3; 103) in einem benachbarten Abschnitt (S2; S4) ist.
4. Optoelektronischer Polarisationsrichtkoppler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter (3, 4; 103, 104) Abschnitte (3a, 4a; 103a, 104a) aufweisen, die in einem Mittelabschnitt (L2; L4) des Wechselwirkungsbereichs (L1; L3) parallel sind, wobei die Wellenleiter außerdem Endabschnitte an jedem Ende des Wechselwirkungsbereichs (L1; L3) besitzen, die bogenförmig (R; R1) sind, wobei die Kontur der Elektroden (5-10; 105-112) mit der Kontur der Wellenleiter übereinstimmt.
5. Optoelektronischer Polarisationsrichtkoppler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter über die gesamte Länge des Wechselwirkungsbereichs (L1; L3) gerade und zueinander parallel sind.
6. Optoelektronischer Polarisationsrichtkoppler nach Anspruch 1, 2, 3 oder 5 mit zwei transversalen Abschnitten (S1, S2; S3, S4) dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5-10; 105-112) spiegelsymmetrisch zu einer Mittellinie zwischen den zwei Abschnitten (S1, S2; S3, S4) angeordnet sind.
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