DE3885500T2

DE3885500T2 - TE/TM-Modenwandler.

Info

Publication number: DE3885500T2
Application number: DE88106340T
Authority: DE
Inventors: William A Dyes; Norman A Sanford
Original assignee: Polaroid Corp
Current assignee: Polaroid Corp
Priority date: 1987-04-27
Filing date: 1988-04-20
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2008-04-21
Also published as: JPS63316022A; CA1295399C; JPH0769526B2; US4776656A; ATE97242T1; EP0289871A1; EP0289871B1; DE3885500D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen TE/TM- Modenwandler.

Hintergrund der Erfindung

Elektrooptische Polarisationswandler sind für zahlreiche Anwendungen wichtig. Beispielsweise kann ein solcher Wandler in einem optischen Monomode-Fasersystem als Polarisationssteuerungseinrichtung für typische Monomode-Faserübertragungssysteme dienen, bei denen die fortschreitenden Wellen normalerweise ihre anfängliche lineare Polarisation nicht aufrechterhalten, so daß periodisch eine Wiederherstellung eines linear polarisierten Zustandes der Wellen wichtig wird.
In der Ausgabe von Januar 1986 der Optics Letters, Vol. II, No. 1, S. 39-41, ist ein TE/TM-Modenwandler beschrieben, der ein in X-Richtung geschnittenes Lithiumniobat(LiNbO&sub3;)- Kristallsubstrat benutzt, in dem ein mit Titan diffundierter Kanalwellenleiter vorgesehen ist, der eine TE- und eine TM- Mode führt. Die Wellenleiterausbreitungsrichtung führt längs der Z-Achse des Kristalls. Die elektrooptisch induzierte lineare Polarisationsdrehung wird durch den elektrooptischen Außerdiagonal-Koeffizienten r&sub6;&sub1; bewirkt. Der Elektrodenaufbau zur Anlegung des elektronischen Feldes zur Induzierung der Polarisationskonversion besteht aus drei getrennten Elektroden, die symmetrisch gegenüber dem Wellenleiter angeordnet sind und eine Mittelelektrode aufweisen, die über dem Wellenleiter liegt, und außerdem zwei äußere Elektroden, und zwar je eine auf jeder Seite der Mittelelektrode. Eine der äußeren Elektroden ist geerdet, und zwei unabhängige Spannungen V&sub1; und V&sub2; werden an die Mittelelektrode bzw. die andere äußere Elektrode angelegt. Die Spannung V&sub1; liefert eine hauptsächlich vertikale elektrische Feldkomponente und V2 eine hauptsächlich horizontale Feldkomponente innerhalb des Wellenleiters. Durch geeignete Veränderung von V&sub1; und V&sub2; wird eine Umwandlung zwischen den TE- und TM-Moden einer optischen Monomode-Welle bewirkt, die an einem Ende des Wellenleiters eingeführt wird.
Bei dieser Anordnung liefert das vertikale elektrische Feld, welches von V&sub1; erzeugt wird, die elektrooptisch induzierte TE/TM-Modenkopplung über den elektrooptischen Außerdiagonal-Koeffizienten r&sub6;&sub1;, und das elektrische Feld, welches durch die Spannung V&sub2; erzeugt wird, benutzt man, um die notwendigen elektrooptisch induzierten Phasenverschiebungen zwischen den TE- und TM-Moden über die komplementären elektrooptischen Koeffizienten r&sub2;&sub2; und r&sub1;&sub2; zu erzeugen. Da die Wellenlängenausbreitungsrichtung längs der optischen Achse erfolgt, sehen beide Te- und TM- Moden den gleichen gewöhnlichen Index und sind daher fast schon phasenangepaßt.
Diese Vorrichtung besitzt mehrere Nachteile. Erstens muß eine optische Isolation zwischen der mittleren Elektrode und dem darunterliegenden Wellenleiter herbeigeführt werden. Dies führt im typischen Fall zur Benutzung einer Pufferschicht zwischen dem LiNbO&sub3;-Substrat und den darüberliegenden Elektroden, wodurch die Behandlung sehr komplex wird.
Außerdem ist dieses Verfahren extrem empfindlich im Hinblick auf die Elektrodenausrichtung. Eine genaue Ausrichtung der drei Elektroden, die im typischen Fall nur um wenige Mikrometer voneinander entfernt werden, macht die Herstellung außerordentlich komplex.
Eine elektrooptische TE/TM-Modenwandleranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der P-A1-0200594 und der folgenden Literaturstelle beschrieben: "A simple and wide optical Bandwidth TE/TM converter using Z propagating LiNbO&sub3; Waveguides" von C. Marilles und M. Papuchon in "Integral Optics", H.-P. Nolting und R. Ulrich ed., Springer Berlin (1985) S. 174-176. Die zuletzt erwähnte Druckschrift erläutert, daß das Ansprechen auf positive und negative Werte der angelegten Spannung nicht gleich ist. Dies wird durch die verbleibende Differenz zwischen den beiden Ausbreitungskonstanten der TE- und TM-Moden erklärt, in Verbindung mit einer durch die Spannung induzierten Doppelbrechung infolge einer geringen Mißausrichtung der Elektroden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrooptische TE/TM-Modenwandleranordnung der bekannten Art so zu betreiben, daß das Problem der verbleibenden Doppelbrechung gelöst wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Die Erfindung beruht demgemäß auf der Erkenntnis, daß selbst die restliche Doppelbrechung wirksam dadurch vermieden werden kann, daß die Vorspannungsgleichspannung angelegt wird, um Differenzen zwischen den Ausbreitungskonstanten der beiden orthogonalen Moden zu eliminieren, so daß beim Anlegen der Wechselspannung die Kopplung vollständig wird, d. h. im wesentlichen 100 % beträgt.
Außerdem wird durch Anwendung der Gleichspannungsvorspannungstechnik keine äußerst präzise Fabrikation notwendig, weil nunmehr die Toleranzen vergrößert werden können und alle Differenzen zwischen den Phasengeschwindigkeiten infolge Fabrikationstoleranzen dadurch berichtigt werden können, daß der richtige Gleichstromvorspannungspegel eingestellt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Nunmehr wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines TE/TM- Modenwandlers, der in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzt wird,
Fig. 2 einen Querschnitt des Wandlers nach Fig. 1 in einer Schaltung, wodurch die Steuerung bewirkt werden kann,
Fig. 3 eine graphische Darstellung der relativen Größen der TE- und TM-Komponenten, gemessen am Ausgangsende des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 bei Änderung der Treiberspannung.

Einzelbeschreibung

Fig. 1 zeigt einen in Y-Richtung geschnittenen LiNbO&sub3;Kristall 10, in dem in bekannter Weise Titan thermisch diffundiert ist, um den Wellenleiterkanal 12 über die Länge des Kristalls in der Richtung der optischen Achse Z des Kristalls zu erzeugen.
Im typischen Fall hat der abgelagerte Titanstreifen eine Dicke von etwa 480 Å und eine Breite von etwa 3 µm, und das Eindiffundieren wurde in strömendem Sauerstoff bei ungefähr 1100 ºC etwa 6 Stunden lang durchgeführt. Die Anstiegszeit auf die Diffusionstemperatur betrug etwa 5 Stunden, und ebenso betrug die Abklingzeit zurück zur Umgebungstemperatur 5 Stunden.
Dann wurden symmetrisch auf beiden Seiten des Kanals 12 parallele Elektroden 14 und 16 abgelagert, die im typischen Fall aus Gold bestanden, 20 mm lang waren und durch einen Spalt von etwa 7 µm getrennt waren. Die Breiten der Elektroden wurden zweckmäßigerweise so gewählt, daß eine Anpassung an die Impedanz der Elektroden an die Treiberspannung erfolgt. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel hatte die Elektrode 16 eine Breite zwischen 5 und 10 µm, und die Elektrode 14, die als Erde diente, war etwa 1 mm breit. Die länge des Kristalls betrug etwa 24 mm.
Die Eingangswelle, die beispielsweise eine Wellenlänge von 0,632 oder 0,820 µm besaß, wurde an einem Ende des Kanals über eine nicht dargestellte optische Faser eingeleitet, und die konvertierte Ausgangswelle wurde am anderen Ende in ähnlicher Weise durch eine nicht dargestellte optische Faser herausgeführt. Es ist wichtig, daß keine der Elektroden 14 oder 16 den Kanal 12 überlappt, der nicht bedeckt ist und nicht im Inneren des Kristalls eingebaut zu sein braucht.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Kristalls 10 mit dem Kanal 12 an der oberen Oberfläche und mit den Elektroden 14 und 16, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals befindlich sind. Die Elektrode 14 ist an Erde 18 über eine einstellbare Gleichspannungsquelle 20 angeschlossen, und die Elektrode 16 ist über eine Wechselspannungsquelle 22 an Erde gelegt. Die Frequenz der Quelle kann in weiten Grenzen je nach der Anwendung schwanken. Zur Benutzung als Gleichstrompolarisationsschalter wäre die Frequenz im typischen Fall ziemlich niedrig; zur Benutzung in einem Hochfrequenzmodulator kann die Frequenz bis in den Gigahertz-Bereich ansteigen.
Die speziellen Werte der Gleichstromvorspannung und der Wechselstromtreiberspannung für eine einzige, im wesentlichen vollständige Wandlung zwischen den Moden bei einer gegebenen Elektrodenlänge werden am besten empirisch bestimmt. Bei dem beschriebenen Aufbau, bei dem eine 20 mm lange Einwirkungsstrecke vorhanden war, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, für eine 95-%ige Wandlung bei einer Wellenlänge von 0,632 pm mit einer Wechselspannung von ungefähr 5 V Spitzenspannung zu arbeiten, wobei die Gleichstromvorspannung zwischen 15 und 20 V liegt. Bei einem Eingang von 0,820 µm hat sich eine Wechselspannung von 12 V Spitzenspannung als zweckmäßig bei einer Vorspannung zwischen 15 und 20 V erwiesen.
Die relativen Größen der Gleichstromvorspannung und der Wechselstromtreiberspannung werden so gewählt, daß ein Arbeitspunkt mit hoher Konversionsfähigkeit gewährleistet wird. Wie weiter unten in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben, ist es für eine hohe Wandlerwirksamkeit erwünscht, kontinuierlich wenigstens einige Volt Differenz zwischen den beiden Elektroden aufrechtzuerhalten. Es ist denkbar, mit einer Gleichstromvorspannung von nur 5 V zu arbeiten, wenn die Wechselspannung in entsprechender Weise eingestellt wird. Es hat gewöhnlich wenig Sinn, mit Vorspannungen zu arbeiten, die größer als 20 V sind.
In Fig. 3 sind die relativen Größen der TE-Komponenten durch die ausgezogene Linie dargestellt und die TM-Komponenten durch die strichlierte Linie, gemessen am Ausgangsende des Wellenleiterkanals einer festen Länge, wenn die Einstellspannung geändert wird.
Für Werte der Stellspannung unter etwa 4 V ist die Wandlung zwischen den Moden im wesentlichen unvollständig, während bei höheren Spannungen ein hohes Ausmaß der Konversion erlangt werden kann.
Ein Modenwandler der beschriebenen Bauart kann für die verschiedensten Zwecke Anwendung finden. Beispielsweise kann er einfach benutzt werden, um eine Eingangswelle mit einer linearen Polarisation im wesentlichen vollständig in die entgegengesetzte Polarisation umzuwandeln, indem eine Einwirklänge benutzt wird, die einer vollständigen Konversionslänge angepaßt ist.
Statt dessen kann bei Benutzung einer Einwirklänge, die halb so groß ist wie die Länge für eine vollständige Wandlung, eine linear polarisierte Eingangswelle in eine fast kreisförmig oder elipsenförmig polarisierte Welle umgewandelt werden. Außerdem kann die Einwirklänge so gewählt werden, daß eine genügende Länge vorhanden ist, um nur ein gewünschtes Ausmaß der Wandlung vorzunehmen, die beispielsweise gerade groß genug ist, um ein gewünschtes Ausmaß der Kompensation in einer Welle herbeizuführen, die anfänglich linear polarisiert war, deren Polarisation jedoch bei der Übertragung verschlechtert wurde, was oft geschieht, wenn eine Welle längs einer optischen Faser übertragen wird.
In gleicher Weise ist es bekannt, einem Modenwandler einen linearen Polarisator nachzuschalten, um einen wirksamen Modulator zu schaffen.
Statt dessen kann die Modenwandlung in einem Modulator benutzt werden, um eine geführte Mode einer Polarisation in eine Mode orthogonaler Polarisation umzuwandeln.
Es können verschiedene Abwandlungen des beschriebenen Ausführungsbeispiels vorgenommen werden. Beispielsweise ist es denkbar, den Wellenleiterkanal auf andere Weise herzustellen, beispielsweise durch Elektrodiffusion von Kupfer. Außerdem können andere Materialien anstelle des Lithiumniobatkristalls benutzt werden, beispielsweise Lithiumtantalat oder andere geeignete Materialien, die einen Wellenleiteraufbau ermöglichen, der im wesentlichen nur eine TE-Mode und eine TM-Mode führt. Welches Material im einzelnen geeignet ist, kann empirisch bestimmt werden.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines elektrooptischen TE/TM- Modenwandlers mit einem in Y-Richtung geschnittenen Kristall (10), der einen Wellenleiterkanal (12) aufweist, welcher parallel zur optischen Z-Achse des Kristalls (10) längs einer Oberfläche des Kristalls (10) verläuft und der nur eine TE-Mode und eine TM-Mode einer aufgeprägten optischen Welle vorbestimmter Wellenlänge führt, und mit zwei parallelen Elektroden (14, 16), die symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals (12) angeordnet sind, wobei eine Spannung an die Elektroden (14, 16) angelegt wird, um eine Modenwandlung der in dem Kanal (12) fortschreitenden Welle zu bewirken, und wobei die Elektroden (14, 16) dem Kristall (10) eine Spannung zuführen, um ein elektrisches Feld über dem Kanalwellenleiter (12) zu erzeugen und dessen optische Eigenschaften durch einen elektrooptischen Effekt zu verändern,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorspannungs-Gleichspannung zwischen eine (16) der Elektroden und Erde (18) angelegt wird und daß eine Wechselspannung an die andere (14) der Elektroden und Erde (18) angelegt wird, so daß die Wechselspannung und die Gleichspannung sich überlagern und ein elektrisches Feld erzeugen, welches eine Gleichstromvorspannungskomponente zur Anpassung der Phasengeschwindigkeiten der TE- und TM-Moden und eine Wechselstromkomponente umfaßt, um eine Wandlung zwischen TE- und TM-Moden herbeizuführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem für eine Einwirklänge von 20 mm und einen Eingang mit einer Wellenlänge von 0,632 µm eine Wechselspannung von etwa 5 V Spitzenspannung und eine Gleichspannung zwischen 15 V und 20 V angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem für eine Einwirklänge von 20 mm und einen Eingang mit einer Wellenlänge von 0,820 µm eine Wechselspannung von ungefähr 12 V Spitzenspannung und eine Gleichspannung zwischen 15 V und 10 V angelegt wird.