DE4240548A1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte optische Schaltung unter Verwen­ dung eines optischen Dünnschichtwellenleiters zum Modulieren oder Schalten eines Lichtsignals mit Hilfe eines elektro-optischen Effekts.

Der zunehmende Einsatz optischer Fasern in der Nachrichtentechnik, bei Sensoren und bei anderen Anwendungsfällen hat das optische Schalten zum Gegenstand starken Interesses gemacht. Von besonderem Interesse ist das Schalten von Signalen in optischer Form ohne die elektro-opti­ sche Umsetzung. Es wurden Versuche in zahlreiche Richtungen unter­ nommen, beispielsweise die Verwendung mechanischer Schalter und aus Halbleitermaterial wie GaAs und InP gefertigter integrierter optischer Raum-Halbleiterschalter.

Viele dieser Schalter nutzen für die Schaltfunktion einen elektro-opti­ schen Effekt. Einen elektro-optischen quadratischen oder Kerr-Effekt gibt es in allen Stoffen. Dieser Effekt bezieht sich auf eine Änderung des Brechungsindex Δn, der proportional zum Quadrat des angelegten elektrischen Feldes E ist. Viel stärkere Indexänderungen lassen sich in Einkristallen realisieren, die einen linearen oder elektro-optischen Pockel-Effekt aufweisen. In diesem Fall ist die Änderung des Brechungsindex Δn direkt proportional zum angelegten elektrischen Feld E. Der Effekt wird nur bei nicht-zentrosymmetrischen Einkristallen erzielt, wobei die induzierte Indexänderung abhängt von der Orien­ tierung des elektrischen Feldes E und der Polarisierung des Lichtstrahls. Bekannte lineare elektro-optische Stoffe umfassen Kaliumdihy­ drophosphat (KDP) und dessen deuterierte isomorphe Formen (DKDP oder KD*P), Lithiumniobat (LiNbO₃) und Lithiumtantalat (LiTaO₃), außerdem Halbleiter wie Galiumarsenid (GaAs) und Kadmiumtellurid (CdTe).

Bisher ist Ti:LiNbO₃, welches eine durch Diffundieren von Titan in Lithiumniobat gebildete Bandführung beinhaltet, eines der am meisten ausgereiften Technologie-Produkte bei der Fertigung von integrierten optischen Schaltkreisen (IOCs). Die Lithiumniobat-Führung wird gebil­ det in einem monokristallinen Wafer, auf dem Längselektroden benach­ bart zu der Bandführung ausgebildet sind. Die Elektroden modifizieren den lokalen Wert des Brechungsindex, wenn eine Potentialdifferenz angelegt wird.

Bei dieser Fertigungstechnik lassen sich Kanäle mit relativ geringem Verlust und guter Fleckgrößen-Anpassung an Einzelmodenfasern bequem herstellen. Allerdings gibt es ein schwerwiegendes Problem: Die LiNbO₃-Bauelemente sind naturgemäß polarisationsabhängig, d. h., sie erfordern die Anregung einer spezifischen linearen Polarisation ("ordent­ licher" Mode oder "außerordentlicher" Mode, TE oder TM⁹, abhängig von der Kristallorientierung), wohingegen der Polarisationszustand (SOP) am Ausgang einer Einzelmodenfaser ein Zufallsverhalten auf­ weist. Dieses Problem wird üblicherweise gelöst, indem man polari­ sationserhalte Fasern verwendet.

Allerdings gibt es bei der Verwendung von polarisationserhaltenden Fasern eine Reihe von Nachteilen. Zunächst sind diese Fasern kompli­ zierter zu handhaben als übliche Einzelmodenfasern, da sie winkelmäßig ausgerichtet werden müssen. Diese Faserart ist außerdem sehr teuer, sie kostet etwa das zehnfache der herkömmlichen Einzelmodenfasern. Außerdem ist eine solche Faser keine Normfaser und wird es in abseh­ barer Zukunft wahrscheinlich auch nicht werden. In vorhandenen Netz­ werken wird eine solche Faser nicht eingesetzt. Dies macht die gesamte Lösung für eine Anzahl von Anwendungsfällen ungeeignet.

Es gibt eine Reihe alternativer Lösungen, von denen eine die Polarisa­ tions-Verwürfelung ist. Die Polarisations-Verwürfelung beinhaltet das Verwürfeln der Eingangspolarisation mit hoher Geschwindigkeit, was in der gewünschten Polarisation (TE oder TM) genügend Leistung gewährleistet, während die orthogonale Polarisation in einem Polarisator ge­ sperrt wird. Dieses Sperren bewirkt eine Einbuße von etwa 3 dB, wobei diese Vorgehensweise einen schnell arbeitenden Polarisationsverwürfler erfordert, da bei einer mit der Bitrate vergleichbaren Frequenz gearbeitet werden muß. Allerdings sind die Polarisationsverwürfler nicht breit­ bandig, was den Schaltern die "Frequenz-Transparenz" raubt.

Eine weitere Alternative ist die Polarisationsverschiedenheit. Bei dieser Lösung wird das Signal in zwei zueinander orthogonale Polarisations­ komponenten aufgespalten, die getrennt verarbeitet und dann schließlich (abhängig vom Anwendungsfall) erneut kombiniert werden. Dies bedeu­ tet, daß Polarisationsaufspalter benötigt werden und die Anzahl der optischen Schaltelemente (z. B. der 2×2-Schalter) verdoppelt werden muß.

Eine weitere Lösung ist die Polarisations-Stabilisierung. Wird mit Polari­ sations-Stabilisierung gearbeitet, so wird die Polarisation durch eine Rückkopplungsschleife geregelt. Bei der Polarisations-Stabilisation muß die Signal-Polarisierung auf irgendeine Weise gemessen werden, was in manchen Fällen das System nicht spürbar verkompliziert (z. B. kohärente Systeme), in anderen Fällen jedoch eine beträchtliche unerwünschte Komplexität bewirkt. Diese Lösung wurde erfolgreich ausgeführt bei Ti:LiNbO₃-Bauelementen. Man vergleiche H. Heidrich et al., "Inte­ grated Optical compensator on Ti:LiNbO₃ For Continuous and Reset Free Polarization Control", ECOC ′87, Proc., Vol. 1, S. 257-260; R. Noe et al., "Automatic Endless Polarization Transformers", Optic Letters, 1988, Vo. 13, No. 6, S. 527-529: N.G. Walker et al, "Endless Polarization Control Using an Integrated Optic Lithium Niobate Device", Electron. Lett., 1988, Vol. 24, No 5, S. 260-268.

All die oben erwähnten Lösungen erfordern die Anpassung an die vor­ handene Polarisationsabhängigkeit der LiNbO₃-Bauelemente, was die Systeme kompliziert macht.

Es gibt eine Reihe von Konzepten für polarisationsunabhängige Schalter und Modulatoren. Vergleiche hierzu M. Kondo et al., "Low Drive Voltage and Low Loss Polarization Independent LiNbO₃ Optical Wave­ guide Switches", Electron. Lett., Vol. 23, (1987), S. 1167-1169; R.C. Alferness, "Polarization Independent Optical Directional Coupler Switch Using Weighted Coupling", Appl. Phys. Lett., Vol. 35, (1979), S. 748- 750; O.G. Ramer et al., "Polarization Independent Optical Switch with Multiple Sections of Δβ Reversal and a Gaussian Taper Function", IEEE Joun. Quantum EIectron. Vol QE-18 (1982), S. 1772-1779; L. McCaughan, "Low Loss Polarization Independent Electrooptical Switching at =1.3 µm", IEEE Journ. Lightwave Techn., Vol LT-2, (1984), S. 51-55; Y. Bourbon et al., "Polarization-Independent Modula­ tor with Ti:LiNbO₃ Strip Waveguides", Electron. Lett. Vol. 20 (1984), S. 496-497; N. Tsukada et al., "Polarization-Insensitive Integrated- Optical Switches: A new approach", IEEE Journ. Quantum Electron., Vol QE-17, (1981), S. 959-964, J.E. Watson, "A Low Voltage Polarization Independent Guided Wave Direction- Coupler Switch in Lithium Niobate", SPIE Vol. 835, Integrated Optical Circuit Engineering V, (1987), S. 132-135; J.E. Watson et al., "A polarization Independent 1×16 Guided-Wave Optical Switch Integrated on Lithium Niobate", Journ. Lightwave Techn., Vol LT-4, (1986), S. 1717-1721; W.K. Burns et al., "Interferometric Waveguide Modulator with Polarization- Independent Operation", Applied Physics Letters, Vol 33 (1978), S. 944; P. Granestrand et al., Polarization Independent Optical Switches", Fourth European Conference on Integrated Optics (ECIO ′87) S. 36-39; P. Granestrand et al., "Polarization Independent Switch and Polarization Splitter Employing Δβ and Δβ Modulation", Electron. Lett. 1988, S.  1142 1145, J.L. Nightingale et al, "Low Voltage Polarization Independent Optical Switch in Ti-indiffused Lithium Niobate", Techn. Digest of Integrated and Guided Wave Optics Conf. (IGWO ′89), paper MAA3, S. 10-13, K. Takizawa et al., "Polarization-Independent and Optical Damage-insensitive LiNbO₃ interferometric Waveguide Modulator", Japanese Journal of Applied Physics, vol 27 (1989, S. L696-L698, Y. Silberberg et al., "Digital Optical Switch" Techn. Digest OFC 1988, paper THA3, H.F. Taylor, "Polarization Independent Guided wave Optical Modulators and Switches", IEEE Journ. Lightwave Techn. Vol LT 3 (1985), S. 1277-1280; T. Pohlmann et al., "Polarization independent switches on LiNbO₃", Piroceedings of the Topical Meeting on Integrated Photonics Research, Hilton Head, SC, 1990, S. 38-39. Die ersten experimentellen Ergebnisse von polarisationsunabhängigen Schaltern wurden von Alferness im Jahr 1979 berichtet.

Fig. 1 zeigt den Schalter nach Alferness. Es handelt sich um einen Richtkoppler 10 unter Verwendung gewichteter Kopplung. Die Trennung zwischen den Wellenleitern 11 und 12 wird entlang der Kopplerlänge variiert und deshalb wird auch die Kopplung zwischen den Wellenleitern 11 und 12 variiert. Die Kopplung ist in Längsrichtung gewichtet, und deshalb gibt es keine Zone mit konstanter Wellenleiter-Trennung. Die gewichtete Kopplung wird ausgenutzt, wenn ein Sperrzustand (nicht­ kreuzender Zustand) realisiert wird. Durch geeignete Auslegung der Wichtung ist es möglich, die Seitenkeulen der Übertragungsfunktion zu unterdrücken (d. h., den Leistungsanteil, der von dem angeregten Wellenleiter als Funktion der Treiberspannung zu dem anderen Wellen­ leiter-Ausgang gekoppelt wird). Dies ist in Fig. 2a und 2b dargestellt, wobei die Übertragungsfunktion eines herkömmlichen Richtkopplers (Fig. 2a) mit derjenigen eines gewichteten Kopplers (Fig. 2b) verglichen ist.

Fig. 2a und 2b zeigen die Übertragungsfunktion für einen gleichför­ migen Δβ-Betrieb eines herkömmlichen Richtkopplers mit gewichteter Kopplung, wobei der Effekt der Wichtung der Kopplungskoeffizienten dargestellt ist. Das Wichten erfolgt mit einer Hamming-Funktion. Die ausgezogene Linie entspricht dem "außerordentlichen" Mode (TM in dem Schalter, der in dem Artikel von Alferness diskutiert ist), die ge­ strichelte Linie entspricht dem "ordentlichen" Mode (TM in dem Schalter nach dem Artikel von Alferness). Das Verhältnis Δβ_eo/Δβ_o wird zu 3,1, (L(1_c)_eo, ≈ 1,5 und (L/1_c)_o ≈ 1,1 angenommen, wobei Δβ_eo die Differenz in der Wellenzahl zwischen den Kanälen des außerordentlichen Modes, Δβ_o die Differenz in der Wellenzahl zwischen den Kanälen in dem or­ dentlichen Mode, L die bauliche Länge des Kopplers und 1_c die Kopplungslänge ist.

Wenn eine Spannung angelegt wird, welche dem ersten Sperrzustand für die Polarisation entspricht, welche den schwächsten elektro-optischen Koeffizienten "sieht", wird auch die andere Polarisation geschaltet, auch wenn die Treiberschaltung gerade einem lokalen Maximum für diese Polarisation entspricht, was auf die unterdrückten Seitenkeulen zurück­ zuführen ist. In Fig. 2a und 2b ist ein -25 dB-Nebensprechpegel angege­ ben, welcher zeigt, daß dieser Pegel auch dann aufrechterhalten werden kann, wenn Parameter wie Δβ_eo/Δβ_o, (L/1_c)_eo und (L/1_c)_o für den Fall des gewichteten Kopplers etwas variiert werden.

Die Ausführung des Überkreuzungszustands wird in Verbindung mit Fig. 3 erläutert. Fig. 3 zeigt ein Schalterdiagramm, bei dem die Orte des Überkreuzungszustands mit Darstellung von L/1_c auf der vertikalen Achse und ΔβL/π (normierte Treiberspannung) auf der horizontalen Achse gezeigt sind. Wenn eine Spannung angelegt wird, die einem "perfekten" Überkreuzungszustand für den "außerordentlichen" Mode entspricht, befindet sich auch die andere Polarisation in einem vernünfti­ gen Überkreuzungszustand, was zurückzuführen ist darauf, daß die Form des Diagramms in der Nähe von L/1_c ≈ 1. Der Überkreuzungszustand hängt davon ab, daß der Schalter derart gefertigt ist, daß das Verhältnis L/1_c für den Mode, der den schwächsten elektro-optischen Koeffizienten sieht, etwas über 1 liegt (bei diesem Z-Schnitt und Ausbreitung in Y- Richtung ist es der TE-Mode) während der Wert für die andere Polari­ sation zwischen 1 und 3 liegt.

In diesem Fall befindet sich die "ordentliche" Polarisation in einem vernünftigen Überkreuzungszustand bis zu relativ hohen Spannungen, da in der Nähe von L/1_c ≈ 1 die Tangente an die Überkreuzungszustands- Ortskurve nach Fig. 3 fast horizontal verläuft. Dies gilt auch für L/1_c ≈ 3.

Fig. 4 zeigt einen polarisationsunabhängigen Schalter 40, wie er in dem Artikel von L. McCaughan beschrieben ist. Der Schalter 40 ist praktisch der gleiche wie der in Fig. 1 gezeigte Schalter (nach dem Artikel von Alferness), mit der Ausnahme, daß die Elektroden nicht in zwei Ab­ schnitte unterteilt sind. In anderen Worten, der Schalter nach Fig. 4 enthält zwei Wellenleiter 41, 41 in einem Substrat, wobei zwei Elektroden 43, 44 den Wellenleitern 41, 42 eng benachbart sind. Eine Spannung V wird an die eine Elektrode 44 gelegt, während die andere Elektrode 43 geerdet ist. Deshalb ist ein gleichförmiger Δβ-Betrieb möglich, und der Überkreuzungszustand muß bei einer Spannung von null erreicht werden, was bedeutet, daß der Schalter 40 derart gefertigt sein muß, daß das Verhältnis L/1_c für beide Polarisationen etwa 1 beträgt. In dem Artikel von Watson wird das Konzept von Alferness im einzelnen analysiert, wobei ein Betrieb mit dem TE-Mode in der Nähe von L/1_c ≈ 3 vorgeschlagen wird. Dies ist kompatibel mit dem Ergebnis von Fertigungsparametern zur Erzielung geringer Biegeverluste bei größeren Wellenlängen. In diesem Fall ist die Polarisation, welche den ordentlichen Index sieht, weniger eingegrenzt, was dazu führt, daß der entsprechende Mode im Vergleich zu der anderen Polarisation ein höheres L/1_c-Verhältnis aufweist.

Fig. 5 zeigt Kombinationen von L/1_c-Verhältnissen, die zur Erzielung geringen oder "perfekten" Nebensprechens im Überkreuzungszustand für den in Fig. 1 gezeigten Schalter zugelassen sind. In Fig. 5 beträgt Δβ_TE/Δβ_TM = 0,26. Wenn ein endliches Nebensprechen erlaubt ist, verbreitern sich die Linien in Fig. 5 und bilden die Form eines Rohrs. Vergleiche hierzu den Artikel von Watson.

Eine zusätzliche Ausdehnung des Konzepts von Alferness ist in Fig. 6a gezeigt und wird von P. Granestrand et al. berichtet in "Polarization Independent Switch and Polarization Splitter Employing Δβ and Δk Modulation", Electron. Lett. 1988, S. 1142-1143. In diesem Fall ist ein X-Schnitt mit Y-Ausbreitung gewählt. Der Schalter 60 ist ein Richt­ koppler mit kreisbogenförmigen Biegungen am Ausgang und am Eingang von Wellenleitern 61 und 62, wobei Elektroden 63, 64, 65, 66, 67 und 68 den Konturen der Wellenleiter 61 und 62 folgen. Wenn die Trei­ berspannungen gemäß Fig. 6b angelegt werden, ist es möglich, eine Überlagerung einer geraden und einer ungeraden Störung des Brechungs­ index zu erreichen (lediglich die Horizontalkomponente des elektrischen Feldes induziert eine Indexstörung bei dieser Kristallorientierung). Wenn lediglich eine gerade Störung angelegt wird, bleibt der Richtungskoppler symmetrisch, jedoch mit einer geänderten Kopplungsstärke zwischen den Wellenleitern. Dies entspricht einer Δk-Modulation oder einer Transformation parallel zu der vertikalen Achse in einem Schalterdia­ gramm, wie es in Fig. 6c gezeigt ist (wobei Δβ_TN/Δβ_TE = 0,28 und Δk_TN/Δk_TE = 0,35). Die herkömmliche Δβ-Modulation (aus der unge­ raden Störung) entspricht einer Transformation parallel zur horizontalen Achse des Schalterdiagramms. Diese Kombination von Δβ- und Δk- Modulation macht eine elektronische Justierung der polarisations­ unabhängigen Schalterzustände möglich. Weil die Δk-Modulation in dieser Konfiguration nicht sehr effizient ist, werden nur geringe Ein­ stellungen der Kopplungslänge angenommen, ansonsten ergeben sich hohe Spannungen.

In Fig. 6d sind die Grenzen dargestellt, innerhalb derer eine "perfekte" (in der Grenze der Theorie der gekoppelten Wellen) polarisationsunab­ hängige Überkreuzung möglich ist. Fig. 6d zeigt ebenfalls Δβ_TM/Δβ_TE = 0,26 und Δk_TM/Δk_TE = 0,35. Wie man sieht, sind die zulässigen Fertigungstoleranzen sehr groß. Der Sperrzustand läßt sich ebenfalls elektronisch einstellen durch Kombination von Δβ- und Δk-Modulation. Fig. 6e zeigt ein Beispiel für die Verwendung sowohl von Δβ- als auch von Δk-Modulation zur Herbeiführung eines "perfekten" Sperrzustands. Bei dem in Fig. 6e gezeigten Beispiel gibt es keine Beschränkungen für (L/1_c)_TE und (L/1_c)_TM. In anderen Worten: es gibt hinsichtlich der Kopp­ lungslänge keine Erfordernisse, und es ist stets möglich, einen "perfek­ ten" polarisationsunabhängigen Sperrzustand zu erreichen. Aufgrund der durch die kreisbogenförmigen Biegungen am Eingang und am Ausgang des Schalters erhaltenen gewichteten Kopplung jedoch werden die Seiten­ keulen der Übertragungsfunktion jedoch üblicherweise nach unten gedrückt, was zu vernünftigen Nebensprechwerten führt, auch bei "reiner" gleichmäßiger Δβ-Modulation. Eine realistische Darstellung dieses Sachverhalts ist in Fig. 6f gezeigt. Fig. 6f zeigt den Verlauf des Schalter-Sperrzustands für ein Nebensprechen von -20 dB, wobei der Effekt der kreisbogenförmigen Biegungen am Eingang und am Ausgang des Schalters dargestellt ist. Das linke Diagramm entspricht dem ein­ fachen Fall von zwei parallelen Wellenleitern mit einer konstanten Trennung, während das rechte Diagramm einem Richtkoppler mit kreis­ förmigen Biegungen am Eingang und am Ausgang des Schalters ent­ spricht.

Eine andere Vorgehensweise zur Herstellung von polarisations­ unabhängigen Schaltern besteht in der Verwendung von Kristallorientie­ rungen, bei denen die Bedingungen für die beiden Polarisationen ähnlich sind. Dies bedeutet, daß die elektro-optisch induzierten Störungen gleich sind, und daß die TE- und TM-Modes annähernd dieselbe Kopplungs­ länge besitzen. Die "isotropen" Orientierungen mit der Z-Achse in Aus­ breitungsrichtung sind Beispiele für derartige Orientierungen. Hier sehen beide Polarisierungen den ordentlichen Brechungsindex, und deshalb sind die auf die Titan-(Ti-)Konzentration zurückzuführenden Indexstörungen für beide Polarisationen gleich. Dies bedeutet, daß die Kopplungslängen annähernd gleich sind. Die elektro-optisch induzierten Indexstörungen für die beiden Polarisationen werden verursacht durch die elektro-opti­ schen r-Koeffizienten r₁₂ und r₂₂ (verkürzte Indexschreibweise). Sie haben gleiche Beträge, jedoch entgegengesetzte Vorzeichen, wobei der Index 2, der r₁₂ und r₂₂ gemeinsam ist, besagt, daß diese Störungen den externen elektrischen Feldern entlang der Y-Achse entsprechen. Ein verkomplizierender Faktor in diesem Zusammenhang ist der Umstand, daß die zwei Polarisationen praktisch synchron sind, und daß es einen elektro-optischen Koeffizienten (des gleichen Betrags wie r₁₂ und r₂₂) gibt, der eine Kopplung zwischen den beiden Polarisationen bewirkt. Dieser r-Koeffizient ist r₆₁, in nicht-verkürzter Schreibweise mit dem Index 1, 2, 1. Der Index 6 (1, 2 in nicht-verkürzter Schreibweise) ent­ spricht der Kopplung zwischen elektrischen Feldern entlang der X- und Y-Achsen-Richtungen. Die Kopplung wird induziert durch ein externes elektrisches Feld entlang der X-Achse, wie es durch den zweiten ange­ gebenen Index angedeutet ist.

Um in einem Schalter mit dieser Orientierung eine gute Leistungsfähig­ keit zu erzielen, muß diese TE-TM-Umsetzung vermieden werden. Da aber die ungewollten Störungen (TE <--<, TM) und die gewollten Störungen (Δ_TM, Δn_TE) unterschiedlichen Komponenten des äußeren Feldes entsprechen, ist es möglich, diese Kopplung durch geeignete Auslegung des Bauteils zu vermeiden. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 7a gezeigt. Wenn die Elektroden derart angeordnet werden, daß es keine Netto-Komponente in X-Richtung gibt (beim Beispiel nach Fig. 7 vertikal in dem X-Schnitt), gibt es keine TE <--<, TM-Kopplung und der Schalter arbeitet gut. Es ist allerdings schwierig, dieses Ziel zu erreichen, was auf Fertigungsdefekte zurückzuführen ist (Fehlausrich­ tung der Elektrode, bezüglich der Wellenleiter, Schwierigkeiten bei der Handhabung der Diffusion und dergleichen). Dies läßt sich überwinden durch Verwendung von Elektroden, die eine elektrische Einstellung des Feldes derart ermöglichen, daß das "effektive" vertikale Feld beseitigt wird.

Eine mögliche Lösung ist in Fig. 8a gezeigt, wobei die am weitesten außenliegenden Elektroden 86a, 86b und 87a, 87b dazu verwendet werden, die "Gestalt" des elektrischen Feldes so einzustellen, daß die X- Netto-Komponente beseitigt wird. Vergleiche hierzu P. Granestrand et al. "Polarization Independent Optical Switches", ECIO ′87, S. 36-39. Die anderen Elektroden 83a, 83b, 84a, 84b, 85a und 85b und die Wellenleiter 81 und 82 sind ähnlich wie in Fig. 7a. Fig. 8b zeigt das von den Elektroden gebildete elektrische Feld. Man beachte, daß die Schalterstrukturen in Fig. 7 und 8 es auch ermöglichen, zur Verbes­ serung der Schaltzustände eine Δk-Modulation durchzuführen.

Fig. 9 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von polarisations­ unabhängigen Schaltern, wobei ebenfalls eine "isotrope" Orientierung (ebenfalls X-Schnitt) verwendet wird. Vergleiche K. Takizawa et al., "Polarization-Independent and Optical Damage-insensitive LiNbO₃ inter­ ferometric Waveguide Modulator", Japanese Journal of Applied Physics, Vol 27 (1988), S. L696-L698. Es handelt sich hier um einen soge­ nannten interferometrischen Ausgleichsbrückenschalter 90, welcher besteht aus einem eingangsseitigen 3-dB-Koppler 96, einer polarisations­ unabhängigen Phasenschieberzone 97 mit zwei geerdeten Elektroden 93 und 95 sowie einer dazwischenliegenden vorgespannten Elektrode 94, und einem ausgangsseitigen 3-dB-Koppler 98. In der Mittelzone 97 sind die Wellenleiter derart voneinander getrennt, daß zwischen ihnen keine Kopplung vorhanden ist. In dieser Zone wird die relative Phase des Lichts moduliert, und hier wird auch keine TE-TM-Kopplung zugelas­ sen, was bedeutet, daß kein vertikales Netto-Feld zugelassen wird. Letz­ teres läßt sich hier jedoch wahrscheinlich einfacher vermeiden als im Fall des Schalters nach Fig. 7.

Ein Vorteil der Konzepte mit Ausbreitung in Z-Richtung ist der, daß von den beiden Polarisationen derselbe (ordentliche) Index gesehen wird. Deshalb gibt es keine Bandbreitenbeeinträchtigung aufgrund einer Im­ pulsverbreitung, welche stattfindet, wenn von den beiden Polarisationen verschiedene Indizes gesehen werden.

Dieser Unterschied tritt in Erscheinung, wenn Kristallorientierungen verwendet werden, bei denen die Z-Achse senkrecht zur Ausbreitungs­ richtung verläuft, was die zulässige Bitrate auf angenähert 10 Gbit/s pro Kanal für ein 10 cm langes Chip in diesen Orientierungen begrenzt. Wenn allerdings die Information nach einem anderen Prinzip geschach­ telt wird, beispielsweise mittels Wellenlängen-Unterteilungs-Multiplex oder damit zusammenhängende Methoden, lassen sich die Informations­ bandbreiten im THz-Bereich auch dann schalten, wenn die Schalter diese Orientierungen aufweisen.

Ein weiterer Vorteil der Konzepte mit Ausbreitung in Z-Richtung ist der, das beide Polarisationen angenähert die gleiche Übertragungsfunk­ tion haben (im allgemeinen bedeutet bei anderen Konzepten die Polarisationsunabhängigkeit, daß es möglich ist, den Schalter in zwei polarisationsunabhängige Schalterzustände zu bringen, wobei jedoch an "Zwischenpunkten" keine Unabhängigkeit vorliegt). Dies ist von höchster Wichtigkeit z. B. dann, wenn lineare Modulationsanwendungen (kleines Signal) betrachtet werden.

Sämtliche oben erwähnten Schaltertypen sind sogenannte interferome­ trische Schalter, sie basieren auf der konstruktiven und destruktiven Interferenz von Schwingungsformen, und sie haben deshalb sämtlich oszillierende Übertragungsfunktionen. Es gibt jedoch eine weitere Mög­ lichkeit, und die besteht darin, Bauelemente einzusetzen, die nicht auf der Interferometrie, sondern statt dessen auf der Modensortierung beruhen. Vergleiche W.K. Burns et al., "Mode Conversion in Planar Dielectric Separating Waveguides", IEEE Journ. of Quantum Electron., Vol QF-11 (1975), S.32-35, and Y. Silberberg et al., "Digital Optical Switch", Tech. Digest OFC, 1988, paper THA3.

Fig. 10 zeigt einen modensortierenden Schalter 100. Es handelt sich um einen optischen 2×2-Digitalschalter, und er besteht aus einem asymmetri­ schen Y-Zweig-Wellenleiter 101 an einer Seite und einem symmetri­ schen Y-Zweig-Wellenleiter 102 auf der anderen Seite. Letzterer läßt sich dadurch asymmetrisch machen, daß man über die Elektroden 103 und 104 ein elektrisches Feld anlegt. Ein asymmetrisch Y-Zweig voll­ zieht eine Modensortierung, vorausgesetzt, die Umsetzung ist "adiaba­ tisch" (ausreichend langsam). Hier bedeutet die Modensortierung, daß der Kanalmode in dem Eingangswellenleiter mit dem höchsten effektiven Index sich allmählich entlang dem Zweig umsetzt in den Mode erster Ordnung der zweiten Modenzone, wo die Kanäle einander naheliegen und sich gegenseitig beeinflussen (zwischen den lokalen normalen Moden gibt es keine Leistungsübertragung, bei starker Trennung besitzt der Mode erster Ordnung die Form des Kanalmodes). In gleicher Weise transformiert sich der Mode in dem anderen Kanal zu dem Mode zweiter Ordnung. Somit transformiert sich das Signal in dem breiten Kanal zu dem Mode erster Ordnung in der Mittelzone und das Signal in dem schmaleren Kanal transformiert sich zu dem Mode zweiter Ordnung der Mittelzone. Wenn die andere Härte 102 des Schalters 100 ebenfalls asymmetrisch ist (d. h., eine ungerade Indexstörung induziert wird), indem eine Spannung an die Elektroden 103 und 104 in ähnlicher Weise angelegt wird, transformiert sich der Mode erster Ordnung in der Mittel­ zone (entsprechend dem breiten Eingangskanal) zu dem Ausgangskanal mit dem höchsten Index, und hingegen transformiert sich der Mode der zweiten Ordnung zu dem Ausgangskanal mit dem niedrigsten Index.

Da die Asymmetrie des Ausgangs-Y-Zweigs elektro-optisch geändert werden kann, arbeitet das Bauelement als 2×2-Schalter, vorausgesetzt, daß die Indexstörung groß genug ist und daß die Umsetzung adiabatisch erfolgt. Wenn eine Spannung von null an die Elektroden gelegt wird, erfolgt für beide Signale eine Aufspaltung bei 3 dB.

In Fig. 11 ist eine Übertragungsfunktion für einen optischen Digital­ schalter für TE (ausgezogene Linie) und TM (gestrichelte Linie) darge­ stellt (für den Fall des X-Schnitts). Wie zu sehen ist, hat die Übertra­ gungsfunktion kein oszillierendes Verhalten wie bei den interferome­ trischen Schaltern, und der Schalter arbeitet offensichtlich polarisationsunabhängig, vorausgesetzt, die Amplitude der Treiberspannung ist hoch genug.

Ein bedeutender Vorteil des optischen digitalen Schalters ist dessen hervorragendes Stabilitätsvermögen. Die durch Gleichstromdrift und Temperaturschwankungen verursachten Instabilitäten treten in Erscheinung als Schwankungen der "wirksamen" angelegten Spannung, und das digitale Ansprechverhalten mit seiner kleinen Übertragungs­ funktions-Schrägen dämpft die induzierte Störung des Schalterzustands, wenn ein Arbeitspunkt mit ausreichend hoher Spannungsamplitude ge­ wechselt wird. Ein weiterer Vorteil des digitalen optischen Schalters ist die bei null Volt erreichte Leistungsaufspaltung. Dies ist besonders wichtig, wenn ein Rundspruchbetrieb erfolgen soll, wie es z. B. in eini­ gen Schaltermatrix-Anwendungsfällen gefordert wird. Fig. 12 zeigt den Aufbau einer Schaltmatrix, bei dem der digitale Schalter eine attraktive Wahlmöglichkeit für das Schalterelement darstellt. Man vergleiche hier­ zu R.A. Spanke, "Architectures for Large Non-blocking Optical Space Switches", IEEE Journ. of Quantum Electron., Vol QE-22 (1986), S. 964-967. Hier werden 1×2-Schalter benötigt, was bedeutet, daß der oben beschriebene Schalter in seinem Aufbau gemäß Fig. 13 vereinfacht werden kann (Fall des X-Schnitts). Hier regt das Signal in dem ankom­ menden Einzelmodenkanal 131 den Schwingungstyp erster Ordnung der Zweimodenzone 132 an, und dieser Schwingungstyp wird (wie oben beschrieben) zu dem Ausgang mit dem höchsten effektiven Index trans­ formiert durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Feldes über drei Elektroden 133, 134 und 135. Der Aufbau nach Fig. 12 besitzt gute Nebensprecheigenschaften, weil ein Signal in zwei Schaltern fehlgehen muß bevor es einen unerwünschten Ausgang erreicht, wenn die Matrix richtig eingestellt ist (dies gilt nicht für den weiter unten erläuterten Betrieb des passiven Aufspaltens und aktiven Kombinierens). Es sei auf den Artikel von Spanke verwiesen.

Das gute Nebensprechverhalten des Aufbaus schwächt die Anforderun­ gen hinsichtlich des Nebensprechens für das individuelle Schalterelement ab, was äußerst günstig deshalb ist, weil es wahrscheinlich schwieriger ist, ein extrem geringes Nebensprechen mit dem digitalen optischen Schalter zu erhalten als mit einem elektronisch einstellbaren Richtkopp­ ler, wie er in dem Artikel von Granestrand et al. dargestellt ist.

Ein weiteres wichtiges Merkmal einer Schaltmatrix gemäß Fig. 12 mit digitalen optischen Schaltern als Schaltelement ist die Möglichkeit, in bequemer Weise Rundspruchfunktionen zu realisieren, bei denen das Signal von einem Eingang zu mehreren Ausgängen verteilt wird. In diesem Fall werden einige (oder sämtliche) Schalter in der ersten Hälfte der Matrix auf das 3-dB-Leistungsaufspalten eingestellt, was in dem Fall des digitalen optischen Schalters bei einer Spannung von null erreicht wird.

Ein sehr einfaches Konzept zur Herstellung von polarisationsun­ abhängigen Schaltern ist das in dem Artikel von Kondo et al. dargestell­ te Konzept. Das Grundprinzip ist in Fig. 17 dargestellt und basiert auf der präzisen Steuerung der Fertigungsparameter. Der Überkreuzungs­ zustand wird bei einer Spannung von null Volt erreicht durch eine solche Fertigung des Schalters 104, daß das L/1₂-Verhältnis (das Verhäl­ tnis der Baulänge zu der Kopplungslänge) für beide Polarisationen auf angenähert eins eingestellt wird. Der Sperr- (oder nicht-kreuzende) Zustand wird erreicht durch Anlegen einer Spannung an diejenige der Elektroden 143 und 144, die den TE-Schwingungstyp der Wellenleiter 141 und 142 im Sperrzustand liefert (bei dieser Z-Schnitt-Orientierung entsprechend dem schwächsten der beiden relevanten r-Koeffizienten). Wenn der Parameter a = Δβ_TE/Δβ_TM für eine gegebene Spannung zwischen 0,25 und 0,34 liegt, ist der Pegel des Nebensprechens unter­ halb von -20 dB, und zwar wegen der annähernden Übereinstimmung des ersten Sperrzustands für die TM-Mode und dem dritten Sperrzustand für den TE-Mode.

Eine Möglichkeit der Verringerung des Hochspannungs-Längen-Produkts von polarisationsunabhängigen Schaltern besteht darin, von einem weite­ ren r-Koeffizienten Gebrauch zu machen, nämlich r₅₁ oder r₄₂ (in nicht­ abgekürzter Schreibweise 131, 232). Es sei auf den Artikel von Pohl­ mann et al. verwiesen. Diese r-Koeffizienten vollziehen TE-TM- Umsetzungen und haben etwa den gleichen Betrag wie r₃₃. Da diese Koeffizienten Schwingungstypen koppeln, welche verschiedene Indizes (ordentlichen und außerordentlichen) sehen, werden periodische Phasen­ anpaßelektroden benötigt. Diese können nicht so wirksam sein wie nor­ male Elektroden. Aus diesem Grund erhält dieser Typ von Schalter nicht so niedrige Spannungen, wie sie durch den Betrag des r-Koeffizienten angegeben werden. Allerdings können sie spannungswirksamer sein als andere Prinzipien für polarisationsunabhängige Schalter. Bauelemente mit einer solchen Art von Elektroden sind ziemlich temperaturempfind­ lich und sind komplex. Wenn dieses Prinzip bei Richtkopplern angewen­ det werden soll, ist die Unterdrückung oder, alternativ, die Wechsel­ wirkung mit der normalen Zwischenwellenleiter-Kopplung recht mühselig. Alternativ kann es bei einem Ausgleichsbrücken-Modulator verwendet werden. Allerdings ist in diesem Fall die Fertigung relativ schwierig, da polarisationsunabhängige 3-dB-Koppler in "nicht-isotro­ pen" Ausbreitungsrichtungen (Nicht-Z-Ausbreitung) erforderlich sind. In jüngerer Zeit wurde eine einfacher zu fertigende Alternative vorgeschla­ gen, die Polarisationsaufspaltung verwendet. Es sei verwiesen auf T. Pohlmann et al., "Polarization independent switches in LiNbO₃", Proceedings of the Topical Meeting on Integrated Photonics Research, Hilton Head, S.C., 1990, S. 38-39.

In dem Artikel von Granestrand ist ein elektronisch einstellbarer, polari­ sationsunabhängiger Schalter beschrieben. Allerdings sind auch bei diesem Konzept die Fertigungstoleranzen (ausgedrückt durch zulässige Kombinationen von L/1_c-Verhältnissen für die zwei Polarisationen) kleiner als gewünscht (dies gilt für die Realisierung des Überkreuzungs­ zustands, hinsichtlich der Realisierung des Sperrzustands gibt es kein Erfordernis hinsichtlich der L/1_c-Verhältnisse).

Jeder der oben beschriebenen Koppler weist Nachteile auf, beispiels­ weise eine komplizierte Fertigung, mühsame Realisierung und/oder Steuerung und unzulängliche Empfindlichkeit gegenüber Umgebungsein­ flüssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen polarisationsunabhängigen optischen Schalter anzugeben, der einen Richtkoppler bei extrem gelockerten Ferti­ gungstoleranzen enthält.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.

Die vorliegende Erfindung verwendet polarisationsunabhängige LiNbO₃- Bauelemente, die so ausgelegt sind, daß die ihnen eigene Polarisations­ abhängigkeit des Stoffes umgangen werden kann.

Der erfindungsgemäße polarisationsunabhängige Schalter oder Koppler enthält ein monokristallines Wafer aus elektro-optischem Material mit mindestens zwei eng benachbarten Lichtwellenleitern an einer Oberseite, zusammen mit neben den Wellenleitern angeordneten Elektroden. Die Elektroden umfassen eine geerdete Hauptelektrode auf einer Seite der Wellenleiter und vier kleinere Elektroden, die in einer Linie auf einer entgegengesetzten Seite oder entgegengesetzten Seiten des Wellenleiters ausgebildet sind, wobei jede der vier kleineren Elektroden mit einer Spannung gespeist wird. Wenn die an die zwei mittleren Elektroden gelegten Spannungen gleiche Werte und gleiche Polarität haben (V_c =V_b und die an die äußeren Elektroden angelegten Spannungen gleiche Werte und gleiche Polarität (V_d = -V_a) besitzen, wird das in dem Wellenleiter sich ausbreitende Licht an einer Übertragung zu dem ande­ ren Wellenleiter gehindert. Wenn die an die mittleren Elektroden ange­ legten Spannungen gleichen Wert, hingegen entgegengesetzte Polarität besitzen (V_c = -V_b und die an die äußeren Elektroden angelegten Spannungen gleichen Wert jedoch entgegengesetzte Polarität (V_d = -V_a) besitzen, geht das in dem einen Wellenleiter laufende Licht in den ande­ ren Wellenleiter über.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen herkömmlichen polarisationsunabhängigen elektro-opti­ schen Schalter;

Fig. 2a und 2b graphische Darstellungen der Übertragungsfunktion für einen gleichmäßigen Δβ-Betrieb des herkömmlichen Richtkopp­ lers nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltdiagramm für einen Überkreuzungszustand des in Fig. 1 gezeigten Richtkopplers;

Fig. 4 einen weiteren herkömmlichen elektro-optischen Schalter;

Fig. 5 eine graphische Darstellung zulässiger L/1_c-Kombinationen zur Erzielung eines "perfekten" Nebensprechens in einem Über­ gangszustand des Schalters nach Fig. 1;

Fig. 6a einen weiteren herkömmlichen elektro-optischen Schalter;

Fig. 6b eine Seitenansicht der Elektroden- und Spannungsanordnung des Schalters nach Fig. 6;

Fig. 6c ein Schaltdiagramm für den in Fig. 6a gezeigten Schalter;

Fig. 6d eine graphische Darstellung der Grenzen für L/1_c für die zwei Polarisationen, in denen es möglich ist, einen "perfekten" Über­ kreuzungszustand zu erreichen;

Fig. 6e eine graphische Darstellung, die sowohl die Δβ- als auch die Δk-Modulation zur Erzielung eines "perfekten" Sperrzustands zeigt;

Fig. 6f für den Sperrzustand Schalterdiagrammverläufe für ein Neben­ sprechen von -20 dB, was den Effekt der kreisförmigen Biegun­ gen am Eingang und am Ausgang eines Richtkopplers veran­ schaulicht;

Fig. 7a und 7b eine Drauf- bzw. Querschnittansicht eines herkömm­ lichen Richtkopplers mit Orientierung für Z-Ausbreitung;

Fig. 8a und 8b eine Drauf- bzw. Querschnittsdarstellung eines her­ kömmlichen Kopplers für Z-Ausbreitung mit einer Zusatzelek­ trode;

Fig. 9 ein polarisationsabhängiges Ausgleichsbrücken-Interfermeter mit Z-Ausbreitung in LiNbO₃;

Fig. 10 einen herkömmlichen digitalen optischen 2×2-Schalter;

Fig. 11 eine graphische Darstellung einer empirischen Übertragungs­ funktion für einen digitalen optischen Schalter;

Fig. 12 den Aufbau eines Schalterbaums;

Fig. 13 einen digitalen optischen 1×2-Schalter, der in der Baumstruktur nach Fig. 12 verwendet wird;

Fig. 14 einen herkömmlichen polarisationsunabhängigen Richtungs­ koppler;

Fig. 15 einen polarisationsunabhängigen Richtungskoppler gemäß der Erfindung mit Z-Schnitt und Y-Ausbreitung;

Fig. 16 eine graphische Darstellung der Grenzen für das L/1_c-Verhältnis für die zwei Polarisationen innerhalb derer es möglich ist, in einem Überkreuzungszustand einen Nebensprechpegel von weniger als -20 dB zu erhalten;

Fig. 17a bis 17q graphische Darstellung normierter Treiberspannungen für unterschiedliche L/1_c-Werte bei dem in Fig. 15 gezeigten Schalter;

Fig. 18 einen polarisationsunabhängigen Richtkoppler mit gestapelten Wellenleitern gemäß der Erfindung;

Fig. 19 einen polarisationsunabhängigen Richtkoppler mit gestapelten Wellenleitern gemäß der Erfindung; und

Fig. 20 einen polarisationsunabhängigen Richtkoppler gemäß der Erfin­ dung mit X-Schnitt und Y-Ausbreitung.

Wenn optische Schalter in Ti:LiNbO₃ ausgebildet werden, wird üblicher­ weise eine solche Kristallorientierung gewählt, die es ermöglicht, Ge­ brauch von dem stärksten elektro-optischen r-Koeffizienten zu machen (r₃₃ in abgekürzter Schreibweise, in nicht-abgekürzter Schreibweise 333), entsprechend einer Änderung des Brechungsindex in Z-Richtung auf­ grund eines in Z-Richtung angelegten Feldes. Diese Orientierungen sind Z-Schnitt bei X- oder Y-Ausbreitung, Y-Schnitt bei X-Ausbreitung und X-Schnitt bei Y-Ausbreitung. Als ein Beispiel bedeutet Z-Schnitt bei Y- Ausbreitung, daß die Lichtkanäle so ausgerichtet sind, daß die Lichtaus­ breitung vornehmlich in Y-Richtung innerhalb des Kristalls stattfindet, und daß die Oberfläche senkrecht zu der Z-Achse verläuft. Bei diesen Orientierungen ist die Z-Achse senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Es gibt zwei Hauptgründe für die Polarisationsabhängigkeit integrierter optischer Schaltungen mit diesen Orientierungen. Erstens sind die Index­ störungen aufgrund des Eindiffundierens von Titan (Ti) für außerordent­ liche (der Z-Richtung entsprechende) und ordentliche Indizes verschie­ den. Dies bedeutet, daß verschiedene Wellenleiter für die TE- bzw. die TM-Polarisationen gebildet werden. Als Folge davon ist der Kopplungs­ koeffizient zwischen gekoppelten Wellenleitern in beispielsweise einem Richtkoppler für zwei Polarisationen verschieden. Üblicherweise führt dieser Unterschied dazu, daß der Schwingungstyp entsprechend dem außerordentlichen Index stärker eingegrenzt wird als der dem ordent­ lichen Index entsprechende Mode. Durch spezifische Fertigungsbedin­ gungen kann man praktisch die gleichen Kopplungskoeffizienten für beide Polarisationen erreichen. Allerdings führt dies zu Moden, die weniger eingegrenzt sind, als es üblicherweise gefordert wird.

Der zweite Grund für die Polarisationsabhängigkeit sind die verschiede­ nen elektro-optischen Koeffizienten, die von den zwei Polarisationen "gesehen" werden; der "außerordentliche" Mode "sieht" r₃₃, der "ordent­ liche" Mode "sieht" r₁₃. Der elektro-optische Koeffizient r₁₃ ist zum annähernd an einen Faktor von 3 kleiner als r₃₃ und dies bedeutet, daß die Indexstörungen aufgrund der angelegten Elektrodenspannungen für die zwei Polarisationen unterschiedlich sind, und dies wiederum bedeu­ tet, daß im allgemeinen verschiedene Treiberspannungen für die zwei Polarisationen erforderlich sind, auch wenn die Kopplungslängen gleich sind.

Vergleicht man unterschiedliche Prinzipien für polarisationsunabhängige Schalter, so müssen mehrere Aspekte betrachtet werden. Zwei Aspekte sind Fertigungstoleranzen und Nebensprechen, und diese Aspekte hängen üblicherweise stark zusammen. Wäre eine "perfekte" Fertigung möglich, sollte bei den meisten Grundprinzipien ein sehr gutes Nebensprechver­ halten resultieren ("perfekt" bei der gekoppelten Wellenapproximation). Bei den in der Praxis erreichten Fertigungstoleranzen jedoch ist das Nebensprechverhalten zwischen verschiedenen Grundprinzipien des Schalters deutlich verschieden. Ein weiterer Aspekt ist die Bandbreite, sowohl die augenblickliche Bandbreite (entsprechend der maximalen Bitrate eines durch den Schalter geleiteten Signals), als auch die Gesamt­ bandbreite (entsprechend der gesamten Wellenlängenzone, die mögliche­ rweise viele Kanäle enthält, die gleichzeitig geschaltet werden). Außer­ dem sollte die Treiberkomplexität (Anzahl von Treibern, Toleranz der Spannungen) berücksichtigt werden.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt ist die Treiberspannung sowie die Toleranz bei Treiberspannungsschwankungen. Diese Toleranz steht in enger Beziehung zu einer weiteren, noch wichtigeren Eigenschaft, nämlich dem Stabilitätsverhalten. Wenn die Schaltzustände relativ un­ empfindlich gegenüber einer Schwankung der Treiberspannungen in der Nähe des Betriebspunkts sind, besitzt der Schalter auch ein gutes Stabilitätsverhalten, da der Einfluß von Temperaturänderungen beispielsweise sich als Änderung der "effektiven" Spannung manifestiert.

Betrachtet man die Treiberspannung allgemein, so benötigen polarisa­ tionsunabhängige Schalter Treiberspannungen, die um einen Faktor von etwa dem drei-fünffachen höher sind als bei polarisationsabhängigen Schaltern (ausgenommen die Grundprinzipien, gemäß denen r₅₁ oder r₄₂ ausgenutzt wird). Wenn komplexere Strukturen (mit einer Anzahl von Schaltelementen) benötigt werden, verlangen Chipgrößen-Beschrän­ kungen den Einsatz relativ kurzer Schalter, die naturgemäß höhere Trei­ berspannungen erfordern (üblicherweise gibt es ein Spannungs-Längen- Produkt, welches für die Schalterelemente konstant ist). Da es unpraktisch ist, hohe Spannungen bei sehr hoher Arbeitsgeschwindigkeit zuzuführen, bedeutet dies, daß die polarisationsunabhängigen Schalter zumindest dann, wenn mehrere Schalter auf einem Chip zu integrieren sind, von praktischem Nutzen hauptsächlich bei niedrigen und mittleren Schaltgeschwindigkeiten (von unterhalb 100 MHz) sind.

Fig. 15 zeigt einen elektro-optischen Richtungskoppler mit vier Elektr­ odenabschnitten für Δβ-Modulation, wobei die oben angegebenen Erwä­ gungen berücksichtigt sind. In Fig. 15 besteht ein monokristalliner Wafer 150 aus einem elektro-optischen Material wie z. B. Lithiumniobat oder Lithiumtantalat. Auf seiner Oberseite 158 ist der Wafer 150 mit mindestens zwei Lichtwellenleitern 151 und 152 ausgebildet, die dadurch hergestellt werden können, daß Titan in die Oberfläche 158 des Wafers 150 eindiffundiert wird. Diese Ausführungsform repräsentiert eine Z- Schnitt-Version eines optischen LiNbO₃-Schalters, bei dem Wellenleiter im wesentlichen mit der Y-Achse des Halbleitersubstrats ausgerichtet sind. Die Wellenleiter besitzen Eingänge 151a und 152a in einer ebenen Stirnfläche des Wafers 150, und Ausgänge 151b und 152b.

Die zwei Wellenleiter 151 und 152 bilden eine Wechselwirkungszone mit einer Länge L, in der die beiden Wellenleiter 151 und 152 eng benachbart und etwa parallel zueinander verlaufen. Eine in einem der Eingänge 151a und 152a über eine optische Faser eintretende Lichtwelle kann zwischen den Ausgängen 151b und 152b verteilt werden. Dies geschieht durch elektromagnetische Schwingungen, die zwischen den Wellenleitern 151 und 152 über deren Wechselwirkungslänge L auftre­ ten.

Das Ausmaß der Kopplung zwischen den Wellenleitern kann dadurch ausgewählt werden, daß man den Abstand d zwischen ihnen auswählt. Ein Verändern der Kopplungslänge 1 _c wird damit möglich, wobei dies die Länge entlang der Wechselwirkungslänge L ist, die eine Lichtwelle in einem Wellenleiter benötigt, um vollständig in dem anderen Wellenleiter umgeschaltet zu werden. Der Abstand d läßt sich derart ein­ stellen, daß die Kopplungslänge 1 _c übereinstimmt mit der Länge L der Wechselwirkungslänge, so daß eine in den Eingang des einen Wellenlei­ ters eintretende Lichtwelle dann aus dem Ausgang des anderen Wellen­ leiters abgegeben wird. Das Kopplungsmaß zwischen den Wellenleitern läßt sich bewirken durch den Brechungsindex des Kristalls, der durch ein elektrisches Feld E geändert wird, welches entlang der Wechselwir­ kungslänge L zwischen die Elektroden 153-157 gelegt wird.

Die Feldstärke kann derart ausgewählt werden, daß die Kopplung zwischen den Wellenleitern verschwindet, wodurch eine an dem Eingang des einen Wellenleiters eintretende Lichtwelle von dem Ausgang dessel­ ben Wellenleiters ausgegeben wird. Wie oben angesprochen, gibt es hier den Wunsch, die ankommende Lichtwelle steuern zu können zwischen den Ausgängen des Richtwandlers unabhängig vom Polarisierungszustand der Lichtwelle. Außerdem ist es ein Wunsch, daß der Richtungswandler einfach aufgebaut ist und die Möglichkeit bietet, daß die ankommende Lichtwelle eine hohe Impulsfrequenz besitzt.

Die Elektroden 153-157 sind entlang der Wechselwirkungslänge L der beiden Wellenleiter 151 und 152 positioniert. Das elektromagnetische Feld E wird bei Anlegen ausgewählter Spannungen an die Elektroden erzeugt. Eine Hauptelektrode 153 wird etwa parallel zu den zwei Wellenleitern 151 und 152 auf einer Seite der Wellenleiter gebildet. Die Hauptelektrode 153 ist mittels einer elektrischen Verbindung geerdet und kann in Form von zwei oder noch mehr Elektroden ausgebildet sein, wie es in Fig. 15 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Auf einer Seite der Wellenleiter 151 und 152, die der Hauptelektrode 153 gegenüber­ liegt, ist eine erste Elektrode 154 ausgebildet. Die erste Elektrode 154 ist an eine erste Spannungsquelle V_a angeschlossen. Die Spannungsquelle V_a erzeugt in der ersten Elektrode 154 ein Potential, welches von einer nicht dargestellten Schaltung einstellbar ist.

Auf derselben Seite der Wellenleiter 151 und 152 wie die erste Elek­ trode ist neben der ersten Elektrode 154 eine zweite Elektrode 155 ausgebildet, die an eine zweite Spannungsquelle V_b angeschlossen ist, deren Ausgang veränderbar ist. Eine dritte Elektrode 156 ist neben oder zweiten Elektrode 155 ausgebildet und ist anschließbar an eine dritte Spannungsquelle V_c, deren Ausgang veränderbar ist. Eine vierte Elektrode 157 ist neben der dritten Elektrode 156 ausgebildet und ist anschließbar an eine vierte Spannungsquelle V_d, deren Ausgang eben­ falls änderbar ist.

Die vier Elektroden 154-157 sind in einer Linie oder Reihe parallel zur Hauptelektrode 153 angeordnet, wobei die zusammengesetzte Länge der vier Elektroden 154 bis 157 mit Abständen zwischen den Elektroden etwa der Länge der Hauptelektrode 153 gleicht, die ihrerseits etwa der Wechselwirkungslänge L gleicht.

Die Ausbildung der Elektroden 154-157 in den Wellenleitern läßt sich durch herkömmliche Verfahren erreichen, beispielsweise mit Hilfe von Photolithographieverfahren. Bei angeschlossenen Spannungsquellen V_a- V_d wird ein elektrisches Hauptfeld E erzeugt, welches den Kristallwafer zwischen den Elektroden durchsetzt und die Wellenleiter durchläuft, um deren Brechungsindex zu beeinflussen. Jedes der Felder aufgrund der individuellen Elektroden 153-157 beeinflußt das elektrische Hauptfeld, und das resultierende elektrische Feld E läßt sich dadurch einstellen, daß man selektiv die Spannung für jede der Elektroden 154-157 ändert.

Der Grad der Kopplung zwischen den Wellenleitern 151 und 152 kann durch das elektrische Feld E in dem Kristall beeinflußt werden. Das elektrische Feld E ändert die Form des Brechungsindex-Ellipsuids auf­ grund des Pockel-Effekts für schwache elektrische Felder. Es sei ange­ merkt, daß die Indexstörungen zurückgeführt werden können auf Effek­ te, die andere sind als der elektro-optische Effekt (Pockel-Effekt), bei­ spielsweise zurückzuführen sind auf Trägereffekte innerhalb des Halblei­ termaterials. Die Änderung wird in dem allgemeinsten dreidimensionalen Fall beschrieben durch einen drittrangigen Tensor mit 27 Tensorelemen­ ten. Diese werden üblicherweise mit r_ÿk bezeichnet, wobei die Indizes i, j und k die Werte 1, 2 oder 3 annehmen können. Die Indizes beziehen sich auf rechtsdrehendes, rechtwinkliges Koordinatensystem mit Achsen x₁, x₂ und x₃. Die x₁-Achse verläuft parallel zur Oberseite 158 und recht­ winklig zu den Wellenleitern 151 und 152, die x₂-Achse verläuft recht­ winklig zur Oberseite 158, und die x₃-Achse ist parallel zu den Wellen­ leitern 151 und 152. Die Tensorelemente r_ÿk besitzen die körperlichen Längenabmessungen pro elektrischer Potentialdifferenz (Meter pro Volt), was ein Maß für die Änderung des Kopplungsgrads zwischen den Schwingungsmoden ist, die durch das elektrische Feld erreicht wird.

Wenn die Ausgänge der zweiten und der dritten Spannungsquelle V_b und V_c gleich groß sind und gleiche Polarität besitzen, und wenn die Aus­ gänge der ersten und der vierten Spannungsquelle V_a bzw. V_b gleich groß sind und gleiche Polarität aufweisen (V_b = V_c und V_a = V_d), wird das in dem einen Wellenleiter laufende Licht daran gehindert, in den anderen Wellenleiter überzutreten, wodurch der Sperrzustand erzeugt wird. Sind die Ausgänge der zweiten und der dritten Spannungsquelle V_b und V_c gleich und haben entgegengesetzte Polarität, während die Aus­ gänge der ersten und der vierten Spannungsquelle V_a und V_d gleichen Wert besitzen und entgegengesetzte Polarität aufweisen (V_c = -V_b und V_d = -V_a), überkreuzt das in dem einen Wellenleiter laufende Licht zu dem anderen Wellenleiter hin, wodurch der Überkreuzungszustand her­ gestellt wird. Wie man sieht, werden die Treiberspannungen V_a, V_b, V_c und V_d mit zwei Freiheitsgraden gebildet.

Die Möglichkeit, "perfekte" Schaltzustände in einem herkömmlichen Richtungskoppler (mit einzelner Polarisation) durch mögliche L/1_c-Ände­ rungen zu trimmen, steht in Verbindung mit einer in Längsrichtung symmetrischen und antisymmetrischen (um das Schalterzentrum) Δβ- Modulation für den Sperr- bzw. den Überkreuzungszustand. Es wird angenommen, daß die Freiheitsgrade benötigt werden, um den polarisa­ tionsunabhängigen Richtungskoppler kontinuierlich einstellbar zu machen. Der Aufbau nach Fig. 15 hat die Möglichkeit von vier Frei­ heitsgraden, da er eine Hauptelektrode und vier Elektroden mit unabhän­ gig einstellbaren Spannungsquellen besitzt. Wenn die erste und die vierte sowie die zweite und die dritte Elektrode elektrisch gekoppelt sind, besitzt der Aufbau nach Fig. 15 zwei Freiheitsgrade.

Zur Erreichung des Sperrzustands werden die Spannungen V_c und V_d zu V_d = V_a und V_c= V_b gewählt. Dies ergibt eine in Längsrichtung symmetrische Δβ-Modulation (Indexstörung als Funktion der Längsko­ ordinate ist eine gerade Funktion) bezüglich des Schalterzentrums. Durch geeignete Einstellung dieser zwei Spannungen (V_a und V_b) sind perfekte Sperrzustands-Realisierungen möglich (in den Grenzen der Analyse gekoppelter Wellen).

Für die Ausführung des Überkreuzungszustands werden die Spannungen V_c und V_d zu V_d = -V_a und V_c = -V_b gewählt. Dies ergibt eine in Längsrichtung antisymmetrische Δβ-Modulation um das Schalterzentrum herum und läßt sich betrachten als eine Verlängerung des abgestuften Δβ-Umkehrkopplers. Vergleiche H. Kogelnik et al. Switched Directional Couplers With Alternating 1,3", IEEE Journal Quantum Electron., Vol QE-12 (1976), S. 396-401.

Fig. 16 zeigt die Grenzen für L/1_c,eo und L/1_c,o (eo und o bedeutet außer­ ordentliche bzw. ordentliche Polarisierung), innerhalb derer es möglich ist, einen Überkreuzungszustand zu erreichen, der für beide Polarisatio­ nen gleichzeitig besser als -20 dB ist (berechnet nach der Theorie gekop­ pelter Wellen). Die Berechnung erfolgt durch Variieren der zwei freien Parameter V_a und V_b für jede Kombination von L/1_c, wobei geprüft wird, ob das Erfordernis des Nebensprechens erfüllt werden kann. Wie man sieht, ist der zulässige Bereich sehr groß.

Mit dieser Art von Schalter sind die Herstellungstoleranzen, ausgedrückt durch zulässige Kopplungslängen-Kombinationen, sogar größer als bei einem herkömmlichen polarisationsabhängigen Richtkoppler mit abge­ stufter Δβ-Umkehr (dies läßt sich durch Vergleichen von Fig. 5, 6d und 16 verstehen). Für den Sperrzustand würde eine entsprechende Figur keine Grenzen zeigen.

In Fig. 17 sind normierte Treiberspannungen für verschiedene Kom­ binationen von L/1_c aufgezeichnet. Die horizontale Achse bedeutet das Verhältnis von L/1_c für außerordentliche Indexpolarisation, und der Parameter in den verschiedenen Zeichnungen ist L/1_c für die ordentliche Polarisation. Die vertikale Achse repräsentiert ΔβL/π für außerordent­ liche Polarisation, wobei der Wert für die ordentliche Polarisation auf 30% dieses Wertes in den Rechnungen eingestellt wird. Die linke Hälfte in Fig. 17 entspricht dem Überkreuzungszustand, bei dem V_c = -V_b und V_d = -V_a. Die rechte Hälfte in Fig. 17 entspricht dem Sperrzustand mit V_c = V_b und V_d = V_a. Die Kästchen oder Punkte entsprechen der ersten Elektrode 154, und die Pluszeichen-Symbole entsprechen der zweiten Elektrode 155.

Wenn erforderliche Treiberspannungen verglichen werden mit anderen Schaltern, so arbeitet dieser Schalter sehr gut. Die Treiberspannungen hängen selbstverständlich ab von der Kombination von L/1_c für den Schalter, was einen Vergleich etwas mühselig gestaltet, im allgemeinen jedoch sind die Überkreuzungszustands-Spannungen höher, und die Sperrzustands-Spannungen sind niedriger bei diesem Schalter als bei­ spielsweise bei Schaltern, wie sie in den Artikeln von Ramer et al. und Kondo et al. beschrieben sind, da bei diesen Schaltern die Spannungen für den Sperrzustand im allgemeinen wesentlich höher sind als die Span­ nungen für den Überkreuzungszustand. Dies bedeutet, daß der vorge­ schlagene Schalter häufig eine geringere "maximal erforderliche Span­ nung" bedingt als die früheren Konzepte.

In Fig. 18 ist eine Alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung dargestellt. Diese Ausführungsform enthält die Anordnung eines ersten Satzes von vier Elektroden 181a-181d (an die eine Spannung angelegt wird) auf einer Oberseite eines ersten Wellenleiters (Kanals) 182, einer ersten, geerdeten Hauptelektrode 183 auf einer Seite des ersten Wellenleiters 182 gegenüberliegend den ersten vier Elektroden 181a bis 181d (d. h. unterhalb des ersten Wellenleiters 182). Ein zweiter Wellenleiter 184 befindet sich auf einer entgegengesetzten Seite (d. h. unterhalb) der geerdeten Hauptelektrode 183, und ein zweiter Satz von vier Elektroden 185a-185d befindet sich auf einer Seite des zweiten Wellenleiters 184, die der Hauptelektrode 183 gegenüberliegt (d. h. unter dem zweiten Wellenleiter 184). Die Hauptelektrode 183 hat die doppelte Funktion einer leitenden Elektrode und einer Kopplungszone zwischen den Wellenleitern. Diese Kombination von Elementen bildet einen ver­ tikal gestapelten Aufbau aus vier Elektroden, einem Wellenleiter, einer Hauptelektrode, einem weiteren Wellenleiter und vier zusätzlichen Elektroden in der genannten Reihenfolge.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 18 ist von der Annahme ausgegan­ gen, daß auf die Elektroden 181, 183 und 185 oberhalb und unterhalb der Wellenleiter (Kanäle) 182, 184 mittels elektrischer Verbindungen zugegriffen werden kann. Diese Ausführungsform bedeutet außerdem, daß die Zonen zwischen den Wellenleitern sowohl als verborgene Koppelzonen als auch als Elektroden dienen. Der Dotierungspegel in dieser Zone muß sorgfältig ausgewählt werden, um einen Kompromiß auszugleichen zwischen der elektrischen Leitfähigkeit der Elektrode und der Isolierung, um übermäßige optische Verluste in der Koppelfunktion zu vermeiden.

Im Betrieb arbeitet die Ausführungsform nach Fig. 18 ähnlich wie der in Fig. 15 gezeigte optische Koppler. Gemäß Fig. 18 enthält dieser polari­ sationsunabhängige Richtkoppler einen monokristallinen Wafer 180 aus elektro-optischem Material, auf dem mindestens zwei Lichtwellenleiter 182, 184 auf einer Oberseite des Wafers 180 ausgebildet sind. Die Wellenleiter 182, 184 bilden eine Wechselwirkungszone in der Haupt­ elektrode 183, wo die Wellenleiter 182, 184 eng benachbart und prak­ tisch parallel zueinander sind. Elektroden 181, 183 und 185, die entlang der Wechselwirkungszone der Wellenleiter 182 und 184 angeordnet sind, umfassen die Hauptelektrode 183, die praktisch parallel zu und zwischen den Wellenleitern 182 und 184 verläuft, wobei die Hauptelektrode 183 elektrisch geerdet ist und als Kopplungszone zwischen den Wellenleitern 182 und 184 fungiert. Jede eines ersten Satzes von vier Elektroden 181a- 81d, die in einer Reihe etwa paralle zur Oberseite der Wellenleiter 182 und 184 gegenüber der Hauptelektrode 183 angeordnet sind, ist an einen veränderlichen Ausgang V_a bis V_d einer Spannungsquelle oder von Span­ nungsquellen anschließbar. Jede aus einem zweiten Satz von vier Elek­ troden 185a-185d (ausgerichtet in einer Reihe etwa parallel zu einer Seite der Wellenleiter 182 und 184 gegenüber der Hauptelektrode 183 und dem ersten Elektrodensatz 181a-181d) ist anschließbar an einen veränderlichen Ausgang V_a-V_d einer Spannungquelle oder von Span­ nungsquellen. Wenn die an die mittleren zwei Elektroden 181b, 181c; 185b, 185c des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Wert und gleiche Polarität besitzen, während die an die Außenelektroden 181a, 181d; 185a, 185d des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Wert und gleiche Polarität haben, wird das in dem einen Wellenleiter laufende Licht daran gehindert, in den anderen Wellenleiter überzutreten. Wenn die an die mittleren zwei Elektroden 181b, 181c; 185b, 185c des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Wert und entgegengesetzte Polyrität besitzen, und wenn weiterhin die an die Außenelektroden 181a, 181; 185a, 185d des ersten und des zweiten Elektrodenansatzes angelegten Spannungen gleichen Wert und entgegen­ gesetzte Polarität besitzen, tritt das in dem einen Wellenleiter laufende Licht in den anderen Wellenleiter.

Wie bei dem früheren Ausführungsbeispiel kann der Wafer 180 ein elektro-optisches Material sein, welches polarisationsabhängig ist, wie beispielsweise LiNbO₃. Außerdem ist die zusammengesetzte Längs jedes von dem ersten und dem zweiten Satz von Elektroden 181, 185 an­ nähernd gleich der Länge der Hauptelektrode 183, wie es zuvor auch der Fall war.

Fig. 19 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Form eines gestapelten Wellenleiters. Der erste Wellenleiter 197 ist oberhalb einer Kopplungszone 196 positioniert, hinter der sich ein zweiter Wellenleiter 194 in gestapelter Anordnung befindet. Auf einer Seite der Wellenleiter 197, 194 und der Kopplungszone 196 befindet sich eine geerdete Haupt­ elektrode 193 (obschon die Hauptelektrode 193 wahlweise neben der Kopplungszone 196 fortgelassen werden kann). Auf einer Seite gegen­ über der Hauptelektrode 193 des Stapelaufbaus erscheinen zwei Sätze von vier Elektroden 191a-191d und 195a-195d, von denen jeder Satz praktisch bündig mit der Seite des ersten und des zweiten Wellenleiters 197, 194 ist.

Im Betrieb ist die in Fig. 19 dargestellte Ausführungsform ähnlich wie die Ausführungsform nach Fig. 15. Gemäß Fig. 19 entfällt der Koppler einem monokristallinen Wafer aus elektro-optischem Material wie bei­ spielsweise LiNbO₃. Mindestens zwei Lichtwellenleiter 194 und 197 auf dem Wafer 190 bilden eine Wechselwirkungszone, in der die Wellenlei­ ter 194 und 197 eng benachbart sind und etwa parallel zueinander ver­ laufen, wobei sie eine gestapelte Anordnung bilden. Elektroden 191, 193 und 195 sind entlang der Wechselwirkungszone 196 der Wellenleiter 194, 197 angeordnet. Die Hauptelektrode 193 ist praktisch parallel zu und auf einer Seite der Wellenleiter 194 und 197 angeordnet und ist geerdet. Die Hauptelektrode 193 kann mehr als eine separate Elektrode umfassen. Jede aus einem ersten Satz von vier Elektroden 191a-191b, die in einer Reihe entlang einer Seite eines der Wellenleiter 197 gegen­ über der Hauptelektrode 193 angeordnet sind, ist an einen veränder­ lichen Ausgang einer Spannungsquelle oder von Spannungsquellen an­ schließbar. Jede aus einem zweiten Satz von Elektroden 195a-195d, die in einer Reihe entlang einer Seite des anderen Wellenleiters 194 gege­ nüber der Hauptelektrode 193 und benachbart zu dem ersten Satz von Elektroden 191 angeordnet sind, ist an einen veränderlichen Ausgang einer Spannungsquelle oder von Spannungsquellen anschließbar. Die zusammengesetzte Länge des ersten und des zweiten Satzes von Elek­ troden 191, 195 ist annähernd gleich der Länge der Hauptelektrode 193.

Wenn die an die mittleren zwei Elektroden 191b, 191c; 195b, 195c des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegte Spannung gleichen Wert und gleiche Polarität besitzt, und wenn die an die äußeren zwei Elektroden 191a, 191d; 195a, 195d des ersten und des zweiten Elek­ trodensatzes angelegte Spannung gleich groß ist und gleiche Polarität besitzt, wird das in dem einen Wellenleiter laufende Licht daran gehin­ dert, in den anderen Wellenleiter überzutreten. Wenn die an die mitt­ leren zwei Elektroden 191b, 191c; 195b, 195c des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Wert haben und entgegengesetzte Polarität besitzen, und wenn ferner die an die äußeren zwei Elektroden des ersten und des zweiten Elektrodensatzes 191a, 191d; 195a, 195d angelegten Spannungen gleichen Betrag und entgegengesetzte Polarität besitzen, tritt das in dem einen Wellenleiter laufende Licht in den anderen Wellenleiter über.

Wie man aus der obigen Beschreibung ersieht, läßt sich bei den Ausfüh­ rungsformen des in Fig. 18 und 19 dargestellten optischen Kopplers, bei dem die Elektroden an den Seitenwänden der Wellenleiter ausgebildet sind, eine Δβ-Modulation unter Verwendung von Indexstörungen aus­ führen, welche durch einen elektro-optischen Effekt (Pockel-Effekt) induziert sind, oder welche durch andere Effekte hervorgerufen sind, beispielsweise einen Trägereffekt in dem Halbleitermaterial.

Es sei beachtet, daß die neben dem gestapelten Wellenleiteraufbau vor­ handene Fläche in Fig. 18 und 19 Luft, Vakuum oder neu gewachsenes Halbleitermaterial sein kann.

Fig. 20 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Arbeits­ weise des in Fig. 22 gezeigten optischen Kopplers ist derjenigen des optischen Kopplers nach Fig. 15 analog. Es gibt allerdings einige bau­ liche Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen. Allgemein ausgedrückt, handelt es sich bei der in Fig. 20 dargestellten Ausfüh­ rungsform um eine X-Schnitt-Version eines LiNbO₃-Schalters, der in Fig. 15 gezeigt ist.

Die Ausführungsform nach Fig. 20 beinhaltet zwei Wellenleiter 203 und 204, die Seite an Seite auf dem Substrat entlang der Y-Kristallorientie­ rung positioniert sind. Zwischen den Wellenleitern befindet sich eine geerdete Hauptelektrode 205. Auf jeder Seite der kombinierten Struktur der Wellenleiter 203, 205 und der Hauptelektrode 205 befindet sich einer von zwei Sätzen aus vier Elektroden 201a-201d und 202a-202d. An die Elektroden werden Spannungen V_a-V_d angelegt, vorzugsweise mit symmetrischen Amplituden bezüglich der paarweisen Anordnung der Elektroden 201a-201d, 202a-202d, die einander gegenüberliegen.

Im Betrieb ist die Ausführungsform nach Fig. 20 ähnlich dem optischen Koppler nach Fig. 15. Gemäß Fig. 15 enthält dieser polarisationsunab­ hängige Richtkoppler einen monokristallinen Wafer 200 aus elektro­ optischem Material, auf dem mindestens zwei Lichtleiter 203, 204 in einer Oberseite des Wafers ausgebildet sind. Diese Wellenleiter 203 und 204 bilden eine Wechselwirkungszone, unter der Hauptelektrode 205, wobei die Wellenleiter 203, 204 eng benachbart und zueinander im wesentlichen parallel sind. Elektroden 201, 202 und 205, die sich ent­ lang der Wechselwirkungszone der Wellenleiter befinden, umfassen die genannte Hauptelektrode 205, die etwa parallel zu den und zwischen den Wellenleitern 202 und 204 verläuft, und die geerdet ist. Jede aus einem ersten Satz von vier Elektroden 202a-202d, die in einer Reihe etwa parallel zur äußersten Seite eines der Wellenleiter 203 gegenüber der Hauptelektrode 205 ausgerichtet sind, ist an einen variablen Ausgang V_a- V_d einer Spannungsquelle oder von Spannungsquellen anschließbar. Jede aus einem zweiten Satz von vier Elektroden 202a-202d, die in einer Reihe etwa parallel zur äußersten Seite eines der Wellenleiter 204 gegenüber der Hauptelektrode 205 und dem ersten Satz von Elektroden 201a-201d ausgerichtet ist, sind mit veränderlichen Ausgängen V_a-V_d einer oder mehrerer Spannungsquellen verbindbar.

Wenn die an die mittleren zwei Elektroden 201b, 201c; 202b, 202c des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannung gleichen Wert und gleiche Polarität besitzen, während die an die äußeren Elek­ troden 201a, 201d; 202a, 202d des ersten und des zweiten Elektroden­ satzes angelegten Spannungen gleiche Amplitude und gleiche Polarität besitzen, wird das in dem einen Wellenleiter laufende Licht daran gehin­ dert, in den anderen Wellenleiter überzutreten. Wenn die an die mitt­ leren zwei Elektroden 201b, 201c; 202b, 202c des ersten und des zwei­ ten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Betrag und ent­ gegengesetze Polarität besitzen, während die an die äußeren Elektroden 201a, 201d; 202a, 202d des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Betrag und entgegengesetzte Polarität besitzen, tritt das in dem einen Wellenleiter laufende Licht in den ande­ ren Wellenleiter über.

Es sei beachtet, daß die Wellenleiter 203, 204, die Hauptelektrode 205 und der erste und der zweite Elektrodensatz 201, 202 in einer planaren Beziehung zueinander liegen. Wie bei den früheren Ausführungsformen kann der Wafer 200 ein elektrooptisches Material sein, welches polaritätsunabhängig ist, bspw. LiNbO₃. Außerdem ist die zusammen­ gesetzte Länge jedes von dem ersten und dem zweiten Elektrodensatz 201, 202 annähernd gleich der Länge der Hauptelektrode 205.

Es sind zahlreiche Abwandlungen der oben beschriebenen Ausführungs­ formen möglich, bspw. können verschiedene Arten des Erzeugens der Kopplung und/oder der Indexstörungen eingesetzt werden.

Claims (20)

1. Polarisationsunabhängiger optischer Richtkoppler, umfassend:

• -einen monokristallinen Wafer (150; 180; 190; 200) aus elektroopti­ schem Material;
• -mindestens zwei Lichtwellenleiter (151, 152; 182, 184; 194, 197; 203, 204) an einer Oberseite des Wafers, die eine Wechselwirkungs­ zone (196) bilden, in der die mindestens zwei Wellenleiter eng be­ nachbart und etwa parallel zueinander liegen;
• -Elektroden, die entlang der Wechselwirkungszone der mindestens zwei Wellenleiter angeordnet sind, wobei die Elektroden aufweisen:
• - eine Hauptelektrode (153, 183, 193, 205), die etwa parallel zu den mindestens zwei Wellenleitern auf einer Seite der Wellen­ leiter angeordnet und geerdet ist;
• - eine erste Elektrode (154; 181a, 185a; 191a, 195a; 201a, 202a), die auf einer der Hauptelektrode gegenüberliegenden Seite der Wellenleiter ausgebildet ist, wobei sie an einer erste Spannungsquelle (V_a) mit veränderlichem Ausgang anschließbar ist;
• - eine zweite Elektrode (155; 181b, 185b; 191b, 195b; 201b, 202b), die benachbart der ersten Elektrode auf einer der Haupt­ elektrode gegenüberliegenden Seite der Wellenleiter ausgebildet ist, wobei sie an eine zweite Spannungsquelle (V_b) mit verän­ derlichem Ausgang anschließbar ist,
• - eine dritte Elektrode (156; 181c, 185c; 191c, 195c; 201c, 202c), die benachbart der zweiten Elektrode auf einer der Hauptelektrode gegenüberliegenden Seite der Wellenleiter aus­ gebildet ist, wobei sie an eine dritte Spannungsquelle (V_c) mit veränderlichem Ausgang anschließbar ist;
• - eine vierte Elektrode (157; 181d, 185d; 181d, 195d; 201d, 202d), die benachbart der dritten Elektrode auf einer der Haupt­ elektrode gegenüberliegenden Seite der Wellenleiter ausgebildet ist, wobei sie an eine vierte Spannungsquelle (V_d) mit veränder­ lichem Ausgang anschließbar ist,
• - wobei, wenn die Ausgänge der zweiten und der dritten Spannungs­ quelle gleichen Wert und gleiche Polarität aufweisen, und die Aus­ gänge der ersten und der vierten Spannungsquelle gleichen Wert und gleiche Polarität aufweisen, das in dem Wellenleiter laufende Licht gegen eine Übertragung zu dem anderen Wellenleiter gesperrt wird,
• - während dann, wenn die Ausgänge der zweiten und der dritten Span­ nungsquelle gleichen Wert und entgegengesetzte Polarität aufweisen, und die Ausgänge der ersten und der vierten Spannungsquelle gleichen Wert und entgegengesetzte Polarität aufweisen, das in einem Wellenleiter laufende Licht zu dem anderen Wellenleiter kreuzt.

2. Richtkoppler nach Anspruch 1, bei dem das elektrooptische Material ein polarisationsabhängiges Material aufweist.

3. Richtkoppler nach Anspruch 2, bei dem das elektrooptische Material LiNbO₃ aufweist.

4. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine zusammengesetzte Länge der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Elektrode annähernd gleich der Länge der Hauptelektrode ist.

5. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Hauptelektrode mehr als eine separate Elektrode aufweist.

6. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste und die vierte Elektrode elektrisch gekoppelt sind, während die zweite und die dritte Elektrode elektrisch gekoppelt sind.

7. Koppler, umfassend:

• - einen monokristallinen Wafer (150; 180; 190; 200) aus elektroopti­ schem Material;
• - mindestens zwei Lichtwellenleiter (151, 152; 182, 184; 194, 197; 203, 204), die auf dem Wafer ausgebildet sind und eine Wechselwir­ kungszone (196) bilden, in der die mindestens zwei Wellenleiter eng benachbart und etwa parallel zueinander liegen;
• - Elektroden, die entlang der Wechselwirkungszone der mindestens zwei Wellenleiter angeordnet sind, wobei die Elektroden aufweisen:
• - eine Hauptelektrode (153, 183, 193, 205), die etwa parallel zu den mindestens zwei Wellenleitern auf einer Seite der Wellen­ leiter angeordnet und geerdet ist;
• - eine erste Elektrode (154; 181a, 185a; 191a, 195a; 201a, 202a), die auf einer der Hauptelektrode gegenüberliegenden Seite der Wellenleiter ausgebildet ist, wobei sie an einer erste Spannungsquelle (V_a) mit veränderlichem Ausgang anschließbar ist;
• - eine zweite Elektrode (155; 181b, 185b; 191b, 195b; 201b, 202b), die benachbart der ersten Elektrode auf einer der Haupt­ elektrode gegenüberliegenden Seite der Wellenleiter ausgebildet ist, wobei sie an eine zweite Spannungsquelle (V_b) mit verän­ derlichem Ausgang anschließbar ist,
• - eine dritte Elektrode (156; 181c, 185c; 191c, 195c; 201c, 202c), die benachbart der zweiten Elektrode auf einer der Hauptelektrode gegenüberliegenden Seite der Wellenleiter aus­ gebildet ist, wobei sie an eine dritte Spannungsquelle (V_c) mit veränderlichem Ausgang anschließbar ist;
• - eine vierte Elektrode (157; 181d, 185d; 181d, 195d; 201d, 202d), die benachbart der dritten Elektrode auf einer der Haupt­ elektrode gegenüberliegenden Seite der Wellenleiter ausgebildet ist, wobei sie an eine vierte Spannungsquelle (V_d) mit veränder­ lichem Ausgang anschließbar ist,
• - wobei, wenn die Ausgänge der zweiten und der dritten Spannungs­ quelle gleichen Wert und gleiche Polarität aufweisen, und die Aus­ gänge der ersten und der vierten Spannungsquelle gleichen Wert und gleiche Polarität aufweisen, das in dem Wellenleiter laufende Licht gegen eine Übertragung zu dem anderen Wellenleiter gesperrt wird,
• - während dann, wenn die Ausgänge der zweiten und der dritten Span­ nungsquelle gleichen Wert und entgegengesetzte Polarität aufweisen, und die Ausgänge der ersten und der vierten Spannungsquelle gleichen Wert und entgegengesetzte Polarität aufweisen, das in einem Wellenleiter laufende Licht zu dem anderen Wellenleiter kreuzt.

8. Koppler nach Anspruch 7, bei dem die Hauptelektrode auf einer Seite der Wellenleiter ausgebildet ist, während die erste, die zweite, die dritte und die vierte Elektrode auf der anderen Seite der Wellenleiter gegenüber der Hauptelektrode ausgebildet sind.

9. Koppler nach Anspruch 7 oder 8, bei dem eine zusammenge­ setzte Länge aus der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Elektrode annähernd gleich ist der Länge der Hauptelektrode.

10. Koppler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Haupt­ elektrode mehr als eine separate Elektrode aufweist.

11. Koppler nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die erste und vierte Elektrode sowie die zweite und die dritte Elektrode elektrisch gekoppelt sind.

12. Polarisationsunabhägiger Richtkoppler umfassend:

• - einen monokristallinen Wafer (180, 190) aus elektrooptischem Mate­ rial;
• - mindestens zwei Lichtwellenleiter an einer Oberseite des Wafers, die eine Wechselwirkungszone bilden, in der die mindestens zwei Wel­ lenleiter eng benachbart und etwa parallel zueinander liegen; und
• - Elektroden, die entlang der Wechselwirkungszone der Wellenleiter positioniert sind, wobei die Elektroden umfassen:
• - eine Hauptelektrode (183; 193), die etwa parallel zu und zwischen den Wellenleitern ausgebildet ist, wobei die Haupt­ elektrode elektrisch geerdet ist;
• - einen ersten Satz (181; 191) von vier Elektroden, die in einer Reihe etwa parallel zu einer Seite der Wellenleiter gegenüber­ liegend der Hauptelektrode (183; 193) angeordnet sind, wobei jede der ersten vier Elektroden an einen veränderlichen Aus­ gang einer Spannungsquelle anschließbar ist;
• - einen zweiten Satz (185; 195) von vier Elektroden, die in einer Reihe etwa parallel zueinander zu einer Seite der Wellenleiter gegenüber der Hauptelektrode und dem ersten Satz von Elek­ troden angeordnet sind, wobei jede der zweiten vier Elektroden an einen veränderlichen Ausgang einer Spannungsquelle an­ schließbar ist;
• - wobei, wenn die an die mittleren zwei Elektroden des ersten und des zweiten Satzes von Elektroden angelegten Spannungen gleichen Wert und gleiche Polarität besitzen, und die an die äußeren Elektroden des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen glei­ chen Wert und gleiche Polarität besitzen, das in dem einen Wellenlei­ ter laufende Licht daran gehindert wird, in den anderen Wellenleiter überzutreten, während dann, wenn die an die mittleren zwei Elektroden des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Wert und entgegengesetzte Polarität aufweisen, während die an die äußeren Elek­ troden des ersten und des zweiten Elektrodensatzes gleichen Wert und entgegengesetzte Polarität aufweisen, das in dem dem einen Wellen­ leiter laufende Licht in einen anderen Wellenleiter übertritt.

13. Koppler nach Anspruch 12, bei dem die Wellenleiter, die Hauptelektrode und der erste und der zweite Elektrodensatz sich in einer gestapelten Anordnung befindet, wobei die Hauptelektrode (183; 193) eine Kopplungszone zwischen den Wellenleitern (182, 184; 197, 194) aufweist.

14. Koppler nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Wellenleiter, die Hauptelektrode und der erste und der zweite Elektrodensatz in einer planaren Beziehung zueinander stehen.

15. Koppler nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei dem das elektroop­ tische Material ein polarisationabhängiges Material aufweist.

16. Koppler nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem das elektrooptische Material LiNbO₃ aufweist.

17. Koppler nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem eine zusammengesetzte Länge des ersten Elektrodensatzes und die des zweiten Elektrodensatzes jeweils annähernd gleich der Länge der Hauptelektrode ist.

18. Koppler, umfassend:

• - einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material;
• - mindestens zwei Lichtwellenleiter, die auf dem Wafer ausgebildet sind und eine Wechselwirkungszone bilden, in der die Wellenleiter eng benachbart und etwa parallel zueinander in einer gestapelten Lagebeziehung verlaufen; und
• - Elektroden, die entlang einer Wechselwirkungszone der Wellenleiter angeordnet sind, wobei die Elektroden aufweisen:
• - eine etwa parallel zu und auf einer Seite der Wellenleiter gebil­ dete Hauptelektrode, die geerdet ist;
• - einen ersten Satz von Elektroden, die in einer Reihe entlang einer Seite eines der Wellenleiter gegenüberliegend der Haupt­ elektrode ausgerichtet sind, wobei jede Elektrode des ersten Satzes an einem veränderlichen Ausgang einer Spannungsquelle anschließbar ist;
• - einem zweiten Satz von Elektroden, die in einer Reihe entlang einer Seite eines anderen der Wellenleiter gegenüberliegend der Hauptelektrode und benachbart zu dem ersten Elektrodensatz angeordnet sind, wobei jede Elektrode des zweiten Satzes an einem veränderlichen Ausgang einer Spannungsquelle anschließ­ bar ist;
• - wobei, wenn die an die mittleren zwei Elektroden des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Wert und gleiche Polarität besitzen und die an die zwei äußeren Elektroden des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Betrag und gleiche Polarität besitzen, das in einem Wellen­ leiter laufende Licht daran gehindert wird, in einen anderen Wellen­ leiter überzutreten,
• - während dann, wenn die an die mittleren zwei Elektroden des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Betrag und entgegengesetzte Polarität besitzen und ferner die an die äußeren zwei Elektroden des ersten und des zweiten Elektrodensatzes angelegten Spannungen gleichen Betrag und entgegengesetzte Polar­ ität besitzen, das in dem einen Wellenleiter laufende Licht in den anderen Wellenleiter herüberkreuzt.

19. Koppler nach Anspruch 18, bei dem die Hauptelektrode mehr als eine separate Elektrode umfaßt.

20. Koppler nach Anspruch 18 oder 19, bei dem eine zusammen­ gesetzte Länge der Elektroden des ersten Satzes und der Elektroden des zweiten Satzes jeweils annähernd gleich der Länge der Hauptelektrode ist.