DE3929999C2 - Vorrichtung zum Führen elektromagnetischer Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen elektromagnetischer Wellen, die einen in einem Substrat ausgebildeten Wellenleiter aufweist, wobei ein erster Teil einer in den Wellenleiter eingespeisten elektromagnetischen Welle von dem Wellenleiter geführt wird, und wobei ein zweiter Teil der elektromagnetischen Welle als ungeführte elektromagnetische Streustrahlung in das Substrat abgestrahlt wird, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Faseroptische und integrierte optische Vorrichtungen und Bauelemente werden derzeit rasch zu Komponenten zur Verwendung in Wellenleiterschaltungen entwickelt. Derartige optische Wellenleiterschaltungen zeichnen sich gewöhnlich durch ein dielektrisches Medium aus, das die elektromagnetische Strahlung trägt, und zwar gewöhnlich im optischen Spektrum entlang vorbestimmter Pfade oder Leitungen. Diese dielektrischen Wellenleiterleitungen sind von einem zweiten dielektrischen Medium umgeben, dessen dielektrische Eigenschaften derart eingestellt sind, daß bewirkt wird, daß sich die durch die Wellenleiter fortpflanzende elektromagnetische Strahlung innerhalb dieser Wellenleiter bleibt. Bei faser­ optischen Vorrichtungen nimmt dieses zweite Medium die Ge­ stalt einer Umhüllung an, welche die leitende Faser unmit­ telbar umgibt. Bei integrierten Optikbauelementen dienen gewöhnlich das Substratmaterial und die Luft über dem Sub­ strat als das zweite Medium.

Auf dem Gebiet der Interferometrie ist die starke Nutzung von Faseroptik und integrierten optischen Bauelementen üblich geworden. Ein Beispiel ist das Sagnac-Interferometer, bei dem Rotationsraten um eine vorgegebene Achse genau ge­ messen werden. Ein Sagnac-Interferometer ist in der Fig. 1 gezeigt, wobei die Quelle 60 Licht durch den Faserkoppler 64 und einen auf dem integrierten optischen Chip 68 vorgesehenen Wellenleiter lenkt, welcher eine Y-Verzweigung 72 enthält. Die Y-Verzweigung teilt den Lichtstrahl in zwei Strahlen, welche die Schleife 70 in gegenläufigen Richtun­ gen durchlaufen. Es ist die Drehung um eine zur Ebene der Schleife 70 senkrechte Achse, die gemessen werden soll.

Eine Drehung der Schleife bewirkt eine Veränderung der Phase zwischen den gegenläufigen Strahlen. Wenn die Strahlen an der Y-Verzweigung 72 rekombinieren, werden sie entlang des genannten Wellenleiters zurückgeführt und auf den Detektor 62 ge­ koppelt. Der Detektor 62 ermittelt die Intensitätsverände­ rung, die sich aus der Phasenverschiebung ergibt, welche in den kombinierten Strahlen auftritt, und registriert diese Veränderung als Maß der Rotationsrate des Interferometers.

Kürzlich durchgeführte Arbeiten an solchen Interferometern nutzten durch­ wegs faseroptische Komponenten, d.h., daß die integrierte optische Vorrichtung 68 mit der Y-Verzweigung 72 ein zwei­ ter faseroptischer Koppler 64 war, wie er in der Fig. 1 gezeigt ist. Ein derartiger Koppler teilt den eintreffenden Lichtstrahl und rekombiniert ihn auch nach dem Durchlaufen der Schleife 70.

Der Wunsch, faseroptische Vorrichtungen durch integrierte optische Bauelemente zu ersetzen wurde durch die Erwartung der Möglichkeit einer besseren Miniaturisierung und gerin­ gerer Kosten bei der Herstellung solcher Bauelemente be­ flügelt.

Eine bevorzugte Gestaltung für ein Sagnac-Interferometer ist in der Fig. 2 gezeigt. In dieser Figur wurden der faser­ optische Koppler 64 und der genannte Wellenleiter durch ein integriertes optisches Bauelement 30 ersetzt. Das inte­ grierte optische Bauelement 30 ist mit zwei Y-Verzweigungen 40 und 42 und einem verbindenden Wellenleitersegment 41 ver­ sehen. Die Quelle 34 und der Detektor 36 sind unmittelbar mit dem integrierten Optikchip 30 an den jeweiligen Schen­ keln der ersten Y-Verzweigung 40 verbunden. Die zweite Y- Verzweigung 42 wirkt als die frühere Y-Verzweigung 72 in der Fig. 1 durch Aufteilen des elektromagnetischen Eingangs­ strahls in die gegenläufigen Strahlen in der Faserschleife 32. Die rückkehrenden gegenläufigen Strahlen werden in der Verzweigung 42 rekombiniert. Die kombinierten Strahlen wer­ den dann entlang des Wellenleiters 41 über die erste Y-Ver­ zweigung 40 zum Detektor 36 zurückgeführt.

Viele aktive oder passiv wirkende Komponenten können in integrierte optische Chipbauelemente, wie 30 eingebaut wer­ den. Beispielsweise ist ein Polarisator 38 über das Wellen­ leitersegment 41 hinweg eingebaut und eine Modulationsvor­ richtung 48 ist an dem auswärts laufenden Schenkel 46 der zweiten Y-Verzweigung 42 eingebaut. Derartige Elemente sind notwendig zur Einstellung von Polarisations- und Modulations­ faktoren auf den elektromagnetischen oder Lichtstrahlen, die sich in den optischen Wellenleitern fortpflanzen.

Die offensichtlichen Vorteile der Verwendung eines optischen Chips 30 mit zwei Y-Teilern waren unmöglich zu erzielen wegen eines bekannten Problems bezüglich der Strahlungsleckage der Y-Verzweigungen in das Substrat hinein. Die Fig. 3 zeigt einen integrierten optischen Chip 10, auf dem ein doppelter Y-Verzweigungs-Wellenleiter aufgebaut ist. Wenn man die Leitungen 16 und 18 als Eingangswellenleiterschen­ kel zum Y-Verzweigungsknoten 12 betrachtet, sieht man, daß Licht, das entlang der einen oder der anderen dieser Leitun­ gen verläuft, zusammengeführt und dazu gezwungen wird, sich entlang einer einzigen verbindenden Wellenleitung 28 zu einem zweiten Y-Verzweigungsknoten 14 hin fortzupflanzen. Am Kno­ ten 14 wird der Strahl in getrennte Strahlen zur weiteren Fortpflanzung durch die Schenkel 22 und 20 hinaus aufge­ teilt.

Die Probleme treten primär am Y-Verzweigungsknoten 12 auf, an dem Licht von der Verzweigung in das Substrat hinein abgestrahlt wird. Die abgestrahlte Energie wird gewöhnlich von den Wellenleitern in einem kleinen Winkel weggeführt und würde sich normalerweise durch das Substratmaterial des in­ tegrierten optischen Chips 10 weiter fortpflanzen.

Ein kleiner jedoch bedeutsamer Teil dieser abgestrahlten Energie 24 wird jedoch zurück in diejenigen Wellenleiter­ abschnitte gekoppelt, die stromabwärts des Y-Verzweigungs­ knotens 12 liegen. Frühere Forschungsarbeiten haben gezeigt, daß diese Energie 26 in die Wellenleiterstrukturen entlang des Wellenleiterelements 28 am Y-Verzweigungsknoten 14 und in die beiden Wellenleiterleitungen 20 und 22 wieder ein­ tritt.

Eine technische Analyse zeigt, daß Licht, das in eine der Einzelmodus-Wellenleiterleitungen 16 oder 18 wiedereintritt, aus einem symmetrischen Energiemodus und einem antisymmetri­ schen Energiemodus zusammengesetzt ist. Am Y-Verzweigungs­ knoten 12 kann sich der symmetrische Modus innerhalb des Wellenleiters 28 weiter fortpflanzen, jedoch wird der antisymmetrische Modus herausgestreut und in das Sub­ strat 10 abgestrahlt. In der Fig. 3 stellt die Streustrah­ lung 24 die Energie mit antisymmetrischem Modus dar.

Dieses Phänomen ist recht gut in US-PS 4 468 085 und in dem Artikel "Reciprocity Properties of a Branching Waveguide" by H.J. Ardity, M. Papuchon, and C. Puech, Seiten 102-110, Fiber-Optic Rotation Sensors and Related Technologies, Springer-Verlag 1982, beschrieben.

Das Phänomen führt zu Vorspannungsfehlern von Hunderten von Grad pro Stunde in Sagnac-Interferometern und führt daher zur Unbrauchbarkeit einer derartigen integrierten optischen Doppel-Y-Struktur. Diese Fehlerquelle begrenzt die Genauig­ keiten, die bei interferometrischen Anwendungen erzielt wer­ den können, erheblich.

Ein Vorschlag, diese Fehler zu beseitigen oder zu vermindern, ist im US-Patent 4 372 642 beschrieben. Diese Schrift betrifft eine Vorrichtung zum Führen elektromagnetischer Wellen entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Vorrichtung weist einen auf einem Substrat ausgebildeten Wellenleiter auf. Dabei wird ein erster Teil einer in den Wellenleiter eingespeisten elektromagnetischen Welle von dem Wellenleiter geführt und ein zweiter Teil der elektromagnetischen Welle als ungeführte elektromagnetische Streustrahlung in das Substrat abgestrahlt. Darüber hinaus ist an der Unterseite des Substrats parallel zu dem Wellenleiter eine Schicht vorgesehen, die aus einem Material besteht, das elektromagnetische Strahlung absorbiert. Die Schicht absorbiert die ungeführte elektromagnetische Streustrahlung und hindert diese daran, wieder in den Wellenleiter einzutreten und sich mit der von dem Wellenleiter geführten elektromagnetischen Welle zu vereinigen. Dabei können eine oder mehrere Schichten absorbierender Medien unter dem Substralmaterial angeordnet und derart gestaltet sein, daß sie die abgestrahlte Streuenergie abfangen und absorbieren, wodurch die Möglichkeit beseitigt wird, daß die Streustrahlung an einem späteren Punkt wieder in den Wellenleiter eingekoppelt wird. Diese Vorrichtung kann jedoch die obengenannten Fehler nicht ausreichend reduzieren oder gar beseitigen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Fehlerquellen zu vermindern oder zu beseitigen, die die Genauigkeiten begrenzen, die bei interferometrischen Anwendungen erzielt werden können. Insbesondere soll eine Vorrichtung zum Führen elektromagnetischer Wellen entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geschaffen werden, bei der die Störstrahlung herausgefiltert werden kann, die durch die sich in dem Substrat ausbreitende Streustrahlung hervorgerufen wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gelöst, daß Elektroden auf oder in dem Substrat in der Nähe des Wellenleiters angeordnet sind, die eine Differenzphasenmodulation entweder der von dem Wellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung oder der ungeführten elektromagnetischen Streustrahlung bewirken. Diese Vorrichtung gestattet es, die Streustrahlung entweder zufällig oder absichtlich in den optischen Kreis des Interferometers der Sagnac-Vorrichtung zurückzukoppeln. Die Streustrahlung wird jedoch durch Differenzphasenmodulation in einen Bereich außerhalb der interessierenden Bandbreite der Messung der optischen Schaltung verschoben. Durch die Erfindung ergibt sich auch die Möglichkeit, eine einzigartige Charakteristik der Streustrahlung, beispielsweise die Polarisation, einer Differentialmodulation derart zu unterziehen, daß eine durch die Streustrahlung verursachte Fehlerkomponente in der Detektorschaltung durch an diesem Punkt ausgeführte Signalverarbeitungsmaßnahmen demoduliert und entfernt werden könnte.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 eine optische Schaltung für ein Sagnac-Interfero­ meter unter Verwendung eines einzelnen inte­ grierten optischen Y-Kopplers gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine optische Schaltung für ein Sagnac-Interfero­ meter unter Verwendung eines integrierten opti­ schen Chips, der eine Doppel-Y-Gestaltung aufweist, welche nach dem Stand der Technik zur Verwendung in derartigen Interferometerschaltungen vorge­ schlagen wurde;

Fig. 3 einen integrierten optischen Chip, der mit einem Doppel-Y-Wellenleiter auf seiner Oberfläche ver­ sehen ist, wobei der Ursprung der Streustrahlung aus einer Y-Verzweigung dargestellt ist;

Fig. 4 eine Doppel-Y-Wellenleiterschaltung auf einem Substrat mit Polarisierungs- und Modulierungs­ elektroden, die auf der Oberfläche des Substrats gestaltet sind;

Fig. 4A einen Querschnitt gemäß B-B der Modulierungs­ elektroden, die zum Abfangen der antisymmetri­ schen Strahlung im Substrat angeordnet sind;

Fig. 4B eine Alternative zur Ausführungsform der Fig. 4A; und

Fig. 5 eine Doppel-Y-Wellenleiterschaltung mit Modu­ lierungselektroden, die an jedem Y-Knoten an­ geordnet sind.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung vor­ gesehen, bei der die abgestrahlte elektromagnetische Ener­ gie (Antisymmetriemodus-Energie) abgefangen und in einer Weise abgeändert wird, daß sie als Feh­ lerquelle in dem optischen Pfad des Interferometerkreises beseitigt wird. Das Modulieren oder Abändern der Beschaffenheit des Lichts, das unerwünscht aus einer Y-Ver­ zweigung abgestrahlt wurde, eröffnet die Möglichkeit, jeden Fehler herauszuholen, wenn diese Strahlung in den optischen Pfad des Interferometers wiedereintreten sollte.

Es ist anzumerken, daß die Beschreibung sich zwar auf Wellenleiterstrukturen bezieht, in denen der tatsächliche Wellenleiterpfad auf der Oberfläche der Substrate abge­ schieden ist; die Erfindung muß jedoch nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt sein. Die Technik gemäß der Erfindung sind gleicherweise wirksam zur Steuerung der Streustrahlung von Y-Verzwei­ gungsknoten, falls die Wellenleiterpfadstruktur in ein Material des Substrats und unter der Oberfläche des Sub­ strats eingebettet ist. Bei einer derartigen Struktur kann das Material über dem Wellenleiter als Superstrat betrachtet werden, während das Material unter der Ebene des Wellenlei­ ters als Substratbereich betrachtet wird. Bei diesem Aufbau wird Strahlung aufwärts in das Superstrat und auch nach unten in das Substrat gelenkt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform läßt man die unerwünschte Strah­ lung in die Wellenleiter und in den optischen Gyrokreis wiedereintreten.

Die Fig. 4 zeigt ein integriertes Optiksubstrat 100, das mit einem Po­ larisator 102 gestaltet ist, der in einem Einzelmoduswellen­ leiter 106 aufgebaut ist, und mit einer Modulationsanordnung 104 von Elektroden. Bei diesem Bauelement wird durch den Modulator 104 eine Differenzphasenmodulation zwischen den geführten und abgestrahlten Moden der Energie herbeige­ führt.

Durch Modulation über das Element 104 kann der Vorspannungs­ fehler, der durch die Wiedereinkopplung des abgestrahlten Lichts verursacht wird, aus der Gyro-Bandbreite herausge­ schoben werden. Wenn beispielsweise eine rechteckige Span­ nungswellenform an die Modulatorelektroden 110 und 112 ange­ legt wird, siehe Fig. 4A, und zwar mit einer Amplitude, die derart eingestellt ist, daß sie 2π-Scheitel-zu-Scheitel- Phasenverschiebungen zwischen den geführten und abgestrahlten Moden ergibt, und mit einer Frequenz, die größer ist als die Gyrobandbreite, dann wird alle Interferenz zwischen den ge­ führten und den abgestrahlten Moden, die nach der Wiederein­ kopplung auftritt, derart geändert, daß sie außerhalb der Gyro-Bandbreite liegt. Diese kann elektronisch aus dem er­ wünschten Gyrosignal am Ausgang des Fotodetektors 124 ausge­ filtert werden. Es ist eine breite Wahl von Modulationswellen­ formen möglich, beispielsweise sinusförmige, rechteckförmige, usw.

Um das Modulationsverfahren wirksam zu nutzen, sind die Elektroden auf der Oberfläche des Substrats 100 und an bei­ den Seiten des leitenden Wellenleiters 106 angebracht, ob­ gleich andere Gestaltungen gleichermaßen akzeptabel sind. Im Betrieb werden die Modulatorelektroden 110 und 112 alter­ nierend über an sie angelegte zyklische Signale polarisiert. Ein elektrisches Feld existiert dann zwischen den Elektroden und überquert den optisch leitenden Einzelmodus-Optikleiter 106. Durch geeignete Konstruktion der Elektrode und der Wellenleiteranordnung und der elektrischen Steuerung der Schaltung, kann das elektrische Feld derart lokalisiert werden, daß nur die geführte Wellenenergie im Wellenleiter 106 und nicht die abgestrahlte Energie 114 beeinflußt wird. Eine allgemeine Regel für diese Konstruktion erfordert, daß der Elektrodenspalt nicht größer ist als die Tiefe des Wellen­ leiters 106, die gewöhnlich 2 bis 3 µm beträgt.

Eine Alternative zur Ausführungsform der Fig. 4A ist in der Fig. 4B gezeigt, welche einen ähnlichen Querschnitt an der Stelle B-B der Fig. 4 zeigt. Diese Ansicht zeigt Elektroden 120 und 122, die innerhalb des Substratmediums in einer der­ artigen Weise untergebracht sind, daß das elektrische Feld zwischen den beiden Elektroden im wesentlichen nur die ab­ gestrahlte Energie 114 und nicht die geführte Energie in dem Einzelmodus-Wellenleiter 106 beeinflußt.

Die Fig. 5 zeigt einen integrierten Optikchip 130, der mit einer Doppel-Y-Schaltung mit den Verzweigungen 136 und 138 versehen ist. Elektrodengruppen 132 und 134 wurden ange­ bracht, um Signale aus jeder Y-Verzweigung differentiell zu modulieren, wie erforderlich. Diese Gestaltung würde man erwarten, wenn Fehler aus Lichtquellen, welche in jede Y-Verzweigung eintreten, signifikant sind.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Führen elektromagnetischer Wellen, die einen auf oder in einem Substrat ausgebildeten Wellenleiter aufweist, wobei ein erster Teil einer in den Wellenleiter eingespeisten elektromagnetischen Welle von dem Wellenleiter geführt wird, und wobei ein zweiter Teil der elektromagnetischen Welle als ungeführte elektromagnetische Streustrahlung in das Substrat abgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden (110, 112; 120, 122; 132, 134) auf oder in dem Substrat (100) in der Nähe des Wellenleiters (106) angeordnet sind, die eine Differenzphasenmodulation der von dem Wellenleiter (106) geführten elektromagnetischen Strahlung oder der ungeführten elektromagnetischen Streustrahlung (114) bewirken.

2. Vorrichtung zum Führen elektromagnetischer Wellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (106) zwischen zwei Y-Verzweigungen (136, 138) angeordnet ist, die den Wellenleiter (106) mit anderen Wellenleitern verbinden.