DE4329334A1 - Digitaler optischer Schalter mit nahezu Z-Ausbreitung - Google Patents
Digitaler optischer Schalter mit nahezu Z-AusbreitungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine integrierte optische Schaltung unter
Verwendung von optischen Dünnschicht-Wellenleitern zum Modulieren
oder zum Schalten eines Lichtsignals mit Hilfe eines elektrooptischen
Effekts. Speziell geht es um einen digitalen optischen Schalter mit einem
X-Schnitt oder nahezu Y-Schnitt und Ausbreitung in nahezu Z-Richtung.
Der zunehmende Einsatz von optischen Fasern in der Nachrichtentech
nik, von Sensoren und andere Anwendungen haben das optische Schalten
zum Gegenstand verstärkten Interesses gemacht. Besonderes Interesse
gilt dem Schalten von Signalen in optischer Form ohne elektrooptische
Umsetzung. Versuche wurden in zahlreiche Richtungen unternommen,
beispielsweise in Richtung der Verwendung mechanischer Schalter und
integrierter optischer Halbleiterschalter aus Halbleitermaterial wie GaAs
und InP.
Viele dieser Schalter machen für die Schaltfunktion Gebrauch von einem
elektrooptischen Effekt. Ein elektrooptischer quadratischer oder Kehr-
Effekt ist bei sämtlichen Substanzen zu beobachten. Der Effekt bezieht
sich auf die Änderung des Brechungsindex Δn im Verhältnis zum Qua
drat des angelegten elektrischen Feldes E. Viel stärkere Indexänderungen
lassen sich in Einkristallen realisieren, die einen elektrooptischen, linea
ren oder Pockel-Effekt aufweisen. Hierbei ist die Änderung des Bre
chungsindex Δn direkt proportional zu dem angelegten elektrischen Feld
E. Der Effekt ist nur bei nicht-schwerpunktsymmetrischen Einkristallen
vorhanden, und die induzierte Indexänderung hängt ab von der Orientie
rung des elektrischen Feldes E und der Polarisierung des Lichtstrahls.
Gut bekannte lineare elektrooptische Stoffe sind Kalium-Diwasserstoff-
Phosphat (KDP) und dessen deuterierte isomorphe Form (DKDP oder
KD*P), Lithiumniobat (LiNbO3) und Lithiumtantalat (LiTaU3), außerdem
Halbleiterstoffe wie Galliumarsenid (GaAs) und Kadmiumtellurid
(CdTe).
Eine derzeit am weitesten ausgereifte Technologie bei der Herstellung
integrierter optischer Schaltungen (IOCs) ist Ti:LiNbO3, welches einen
Bandleiter beinhaltet, gebildet durch Diffundieren von Titan in Li
thiumniobat. Der Lithiumniobat-Leiter ist in einem monokristallinen
Wafer ausgebildet, auf dem Längselektroden in der Nachbarschaft des
Bandleiters angeordnet sind. Die Elektroden modifizieren den lokalen
Wert des Brechungsindex, wenn eine Potentialdifferenz angelegt wird.
Bei dieser Technologie lassen sich in einfacher Weise Kanäle mit relativ
geringer Dämpfung bei guter stellenweiser Anpassung an Einzelmodenfa
sern fertigen. Allerdings gibt es ein gravierendes Problem: Die LiNbO3-
Bauelemente sind naturgemäß polarisationsabhängig, d. h., sie machen
eine Erregung einer spezifischen linearen Polarisation erforderlich ("or
dentlicher" elektrischer Transversal-Typ TE oder "außerordentlicher"
magnetischer Transversal-Typ TM für beispielsweise einen Z-Schnitt),
abhängig von der Kristallorientierung, während der Polarisationszustand
(SOP) am Ausgang der Einzelmodenfaser ein willkürliches Verhalten
zeigt. Dieses Problem wird üblicherweise dadurch gelöst, daß man
Methoden anwendet, die in der Lage sind, die naturgemäße Polarisa
tionsabhängigkeit von LiNbO3-Bauelemente zu akkomodieren, was die
Systeme verkompliziert.
Es gibt eine Anzahl von Konzepten für polarisationsunabhängige Schalter
und Modulatoren, vergleiche z. B. M. Kondo u. a., "Low Drive Voltage
and Low Loss Polarization Independent LiNbO3 Optical Waveguide
Switches, "Electron. Lett., vol 23, (1987), S. 1167-1169; R. C. Alfer
ness, "Polarization Independent Optical Directional Coupler Switch
Using Weighted Coupling," Appl. Phys. Lett., Vol 35, (S. 748-750; O.
G. Ramer u. a., "Polarization Independent Optical Switch with Multiple
Sections of Δβ Reversal and a Gaussian Taper Function," IEEE Journ.
Quantum Electron. Vol QE-18 (1982), S. 1772-1779; L. McCaughan
"Low Loss Polarization Independent Electrooptical Switching at λ=1,3µm,"
IEEE Journ. Lightwave Techn.; Vol LT-2, (1984), S. 51-55;
Y. Bourbon u. a., "Polarization-Independent Modulator with Ti:LiNbO3
Strip Waveguides," Electron. Lett. Vol 20, (1984) S. 496-497; N. Tsu
kada u. a., "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 Gui
ded Wave Direction-Coupler Switch in Lithium Niobate," SPIE Vol
835, Integrated Optical Circuit Engineering V, (1987), s. 132-135; J. E.
Watson u. a., "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 u. a., "Interferometric Wave
guide Modulator with Polarization-Independent Operation," Applied
Physics Letters, Vol 3, (1978), S. 944; P. Granestrand u. a., "Polariza
tion Independent Optical Switches," Fourth European Conference on
Integrated Optics (ECIO ′87) S. 36-39; P. Granestrand u. a.,
"Polarization Independent Switch and Polarization Splitter Employing Δβ
and Δβ Modulation," Electron. Lett. 1988, 1142-1143; J. L. Nightingale
u. a., "Low-Voltage Polarization Independent Optical Switch in Ti-in
diffused Lithium Niobate," Techn. Digest of Integrated and Guided
Wave Optics Conf. (IGWO ′89), paper MAA3, S. 10-13; K. Takizawa
u. a., "Polarization-Independent and Optical Damage-insensitive LiNbO3
Interferometric Waveguide Modulator," Japanese Journal of Applied
Physics, Vol 27, (1988), S. L696-L698; Y. Silberberg u. a., "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 u. a., "Polarization independent switches on
LiNbO3," Proceedings of the Topical Meeting on Integrated Photonics
Research, Hilton Head, SC, 1990, S. 38-39. Die ersten praktischen
Ergebnisse bei polarisationsunabhängigen Schaltern wurden von Alfer
ness 1979 berichtet.
Eine Vorgehensweise bei der Fertigung polarisationsunabhängiger Schal
ter besteht darin, Kristallorientierungen zu benutzen, bei denen die
Bedingungen für die beiden Polarisationen ähnlich sind. Dies bedeutet,
daß die elektrooptisch induzierten Störungen gleich sind, und daß die
TE- und TM-Typen annähernd die gleichen Kopplungslängen besitzen.
Die "isotropen" Orientierungen mit der Z-Achse in der Ausbreitungs
richtung sind Beispiele für solche Orientierungen. Dabei sehen beide
Polarisationen den ordentlichen Brechungsindex und deshalb sind die
Polarisationen gleich. Dies bedeutet, daß die Kopplungslängen annähernd
gleich groß sind. Die elektrooptisch induzierten Indexstörungen für die
beiden Polarisationen werden verursacht durch die elektrooptischen r-
Koeffizienten r12 und r22 (konzentrierte Indexschreibweise). Sie besitzen
gleiche Beträge, jedoch entgegengesetzte Vorzeichen, und der Index 2,
der r12 und r22 gemeinsam ist, bedeutet, daß die Störungen den externen
elektrischen Feldern entlang der Y-Achse entsprechen. Ein verkomplizie
render Faktor in diesem Zusammenhang ist der Umstand, daß die zwei
Polarisationen annähernd synchron sind, und daß es einen elektroopti
schen Koeffizienten (mit dem gleichen Betrag wie r12 und r22) gibt, der
eine Kopplung zwischen den zwei Polarisationen bewirkt. Dieser r-
Koeffizient ist r61 mit den Indizes 1,2,1 in nicht-konzentrierter Schreib
weise. Der Index 6 (1,2 nicht-konzentriert) entspricht der Kopplung
zwischen elektrischen Feldern entlang der X- und Y-Achsen-Richtungen
(das Format der Schreibweise wird unten erläutert). Die Kopplung wird
induziert durch ein äußeres elektrisches Feld entlang der Y-Achse, wie
es durch den jeweils als zweites angeschriebenen Index angegeben wird.
Um eine gute Leistungsfähigkeit bei einem Schalter mit dieser Orientie
rung zu erzielen, muß diese TE-TM-Umwandlung vermieden werden.
Da allerdings unerwünschte (TE ↔ TM) - und die gewünschten (ΔnTM,
ΔnTE)-Störungen unterschiedlichen Komponenten des elektrischen Fel
des entsprechen, ist es möglich, diese Kopplung durch geeignete Aus
legung des Bauteils zu vermeiden.
Ein Vorteil bei den Konzepten mit Z-Ausbreitung ist der, daß von den
zwei verschiedenen Polarisationen der gleiche (ordentliche) Index gese
hen wird. Deshalb gibt es keine Bandbreitenverschlechterung aufgrund
einer Impulsverbreiterung, die dann auftritt, wenn von den beiden Pola
risationen verschiedene Indizes gesehen werden.
Diese Indexdifferenz (die unterschiedliche Geschwindigkeiten für die
Anteile eines Impulses mit den TE- und den TM-Polarisationen bedeu
ten) tritt in Erscheinung, wenn Kristallorientierungen mit der Z-Achse
senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung verwendet werden, und sie
beschränken die zulässige Bitrate auf annähernd 10 Gbit/s pro Kanal für
ein 10 cm langes Chip bei diesen Orientierungen. Wenn allerdings die
Information nach einem anderen Grundprinzip gepackt wird, beispiels
weise durch Wellenlängen-Multiplexbetrieb oder durch kohärente Metho
den, so lassen sich Informationsbandbreiten im THz-Bereich auch mit
Schaltern solcher Orientierungen schalten.
Ein weiterer Vorteil der Konzepte mit Z-Ausbreitung besteht darin, daß
beide Polarisationen annähernd die gleiche Übertragungsfunktion be
sitzen (im allgemeinen bedeutet bei anderen Konzepten die Polarisations
unabhängigkeit, daß es möglich ist, den Schalter in zwei polarisations
unabhängige Schaltzustände zu bringen, ohne Abhängigkeit von "Zwi
schenpunkten"). Dies ist besonders bedeutsam, z. B. dann, wenn Anwen
dungen linearer (Kleinsignal-)Modulation betrachtet werden.
Sämtliche oben erläuterten Schaltertypen sind sogenannte interferomet
rische Schalter; sie basieren auf der aufbauenden und auslöschenden
Interferenz von Schwingungstypen, so daß sie sämtlich oszillierende
Übertragungsfunktionen besitzen. Allerdings gibt es noch eine weitere
Möglichkeit, und die ist der Einsatz von Bauelementen, welche anstatt
auf Interferometrie auf dem Wellentyp-Sortieren beruhen. Verwiesen
wird hierzu auf W. K. Burns u. a., "Mode Conversion in Planar Dielec
tric Separating Waveguides", IEEE Journ. of Quantum Electron., Vol
QF-11 (1975), S. 32-35, und Y. Silberberg u. a., "Digital Optical
Switch," Tech. Digest OFC, 1988, paper THA3.
Fig. 1 zeigt einen Schalter 100 mit Wellentypsortierung. Es ist ein
optischer 2×2-Digitalschalter, und er besteht aus einem asymmetrischen
Y-Verzweigungs-Wellenleiter 101 auf einer Seite und einem symmetri
schen Y-Verzweigungs-Wellenleiter 102 auf der anderen Seite. Die
letztere Verzweigung 102 kann dadurch asymmetrisch gemacht werden,
daß über Elektroden 103 und 104 ein elektrisches Feld angelegt wird.
Eine asymmetrische Y-Verzweigung 101 übernimmt die Wellentypsortie
rung, vorausgesetzt, daß die Transformation "adiabatisch" (ausreichend
langsam) erfolgt. Das Wellentypsortieren bedeutet hier, daß der Kanal-
Wellentyp im Eingangswellenleiter mit dem höchsten effektiven Index
allmählich entlang der Verzweigung übergeht in den örtlichen Normal-
Wellentyp erster Ordnung (Grundwellentyp) der zwei Wellentypen
aufweisenden Zone, in der die Kanäle nahe nebeneinander liegen und
einander beeinflussen (es gibt keinen Leitungsübergang zwischen den
lokalen Normal-Wellentypen; bei einer starken Trennung hat der Wel
lentyp erster Ordnung die Form des Kanal-Wellentyps). Gleichermaßen
geht der Wellentyp in dem anderen Kanal über in den Wellentyp zweiter
Ordnung (d. h. in den Wellentyp der ersten höheren Ordnung). Damit
geht das Signal in dem breiten Kanal über in den Wellentyp erster Ord
nung in der Mittelzone, und das Signal im schmaleren Kanal geht über
in den Wellentyp zweiter Ordnung in der Mittelzone. Wenn die andere
Hälfte 102 des Schalters 100 ebenfalls asymmetrisch wird (d. h., es wird
eine ungeradzahlige Indexstörung induziert), indem an die Elektroden
103 und 104 eine Spannung angelegt wird, geht in ähnlicher Weise der
Wellentyp erster Ordnung in der Mittelzone (entsprechend dem breiten
Eingangskanal) über in den Ausgangskanal mit dem höchsten Index, und
umgekehrt geht der Wellentyp zweiter Ordnung über in den Ausgangs
kanal mit dem niedrigsten Index.
Da die Asymmetrie der Ausgangs-Y-Verzweigung auf elektrooptischem
Wege geändert werden kann, arbeitet das Bauelement als 2×2-Schalter,
vorausgesetzt, daß die Indexstörung groß genug und der Übergang adia
batisch ist. Wenn an die Elektroden eine Spannung von null gelegt wird,
erfolgt für beide Signale eine 3-dB-Aufspaltung.
In Fig. 2 ist eine Übertragungsfunktion für einen optischen Digitalschal
ter mit X-Schnitt für TE (ausgezogene Linie) und TM (gestrichelte
Linie) dargestellt (man achte auf die Differenz). Wie man sehen kann,
zeigt die Übertragungsfunktion nicht das oszillierende Verhalten von
interferometrischen Schaltern, sondern der Schalter arbeitet unabhängig
von der Polarisation, wobei vorausgesetzt wird, daß der Betrag der
Treiberspannung groß genug ist.
Ein signifikanter Vorteil des optischen Digitalschalters ist dessen überle
gene Stabilität. Die durch Gleichstromdrift und Temperaturschwankun
gen verursachten Instabilitäten treten als Schwankungen der "effektiv"
angelegten Spannung in Erscheinung, und das digitale Ansprechverhalten
mit seiner geringen Neigung der Übertragungsfunktion dämpft die indu
zierte Schalterzustand-Störung, wenn ein Betriebspunkt mit ausreichend
hoher Spannungsamplitude gewählt wird.
Ein weiterer Vorteil des optischen Digitalschalters ist das bei einer
Spannung von Null erreichte Leistungssplitting. Dies ist besonders dann
wichtig, wenn ein Rundspruchbetrieb erforderlich ist, z. B. in einigen
Koppelmatrix-Anwendungen.
Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Koppelmatrix, bei dem der Digitalschalter
eine äußerst attraktive Wahl für das jeweilige Schalterelement ist, man
vergleiche 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 vereinfacht werden kann zu einer
optischen 1×2-Digitalschalterstruktur gemäß Fig. 4 (X-Schnitt-Beispiel).
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Schalter erregt das Signal in dem an
kommenden Einzelmodenkanal 131 den Wellentyp erster Ordnung der
Zwei-Moden-Zone 132, und dieser Wellentyp wird (wie oben beschrie
ben) zu dem Ausgang mit dem höchsten effektiven Index transformiert
durch das Anlegen eines geeigneten elektrischen Feldes über drei Elek
troden 133, 134, 135 (d. h., 133 und 135 sind auf Masse gelegt, wäh
rend 134 positives oder negatives Potential ausreichender Stärke erhält,
oder 134 ist auf Masse gelegt, und 133 und 135 sind bei ausreichender
Amplitude auf positives oder negatives Potential gelegt). Der Aufbau
nach Fig. 3 besitzt gutes Übersprechverhalten, da ein Signal in zwei
Schaltern fehllaufen muß, bevor es einen unerwünschten Ausgang er
reicht, wenn das Koppelfeld richtig eingestellt ist (dies gilt nicht für den
weiter unten beschriebenen Vorgang des passiven Aufspaltens und akti
ven Kombinierens). Es wird auf den Artikel von Spanke verwiesen.
Das gute Übersprechverhalten des Aufbaus schwächt die Übersprechan
forderungen an die individuellen Schaltelemente ab, was deshalb von
Vorteil ist, weil es wahrscheinlich schwieriger ist, extrem geringes
Übersprechen bei einem optischen Digitalschalter zu erreichen als bei
einem elektronisch einstellbaren Richtungskoppler, wie in dem Artikel
von Granestrand u. a. gezeigt ist.
Ein weiteres wichtiges Merkmal einer Koppelmatrix gemäß Fig. 3 mit
optischen Digitalschaltern als Schaltelemente ist die Möglichkeit der
geeigneten Realisierung von Rundspruchfunktionen, bei denen das Signal
vom Eingang auf mehrere Ausgänge verteilt wird. In diesem Fall wer
den einige (oder sämtliche) der Schalter in der ersten Hälfte der Matrix
auf die 3-dB-Leistungsaufspaltung eingestellt, was bei dem optischen
Digitalschalter bei einer Spannung von null Volt erreicht wird.
Jeder der oben beschriebenen Koppler oder Schalter leidet an dem Nach
teil einer komplizierten Fertigung, mühsamen Ausgestaltung und/oder
Steuerung, begrenzten Bitrate und unzulänglicher Empfindlichkeit ge
genüber der Umgebung.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine verbesserte Treiberspan
nungs-Gleichförmigkeit für die beiden Polarisationen erreicht, kombiniert
mit einer beträchtlichen Toleranz gegenüber Treiberspannungsschwan
kungen. Diese Toleranz hängt eng zusammen mit der Stabilität. Die
Schalterzustände sind relativ unempfindlich gegenüber einer Änderung
der Treiberspannungen in der Nähe des Betriebspunkts, und damit zeigt
der Schalter auch ein gutes Stabilitätsverhalten, da sich der Effekt von
Temperaturschwankungen beispielsweise als Schwankung der "effekti
ven" Spannung darstellt. Somit reduziert sich die Komplexität der Trei
bereinrichtung (Anzahl von Treibern, Toleranz der Spannung).
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung beinhalten die Verbesse
rung von Fertigungstoleranzen und des Übersprechens (was dazu in
Beziehung steht), und die Schaffung einer großen Bandbreite, sowohl
der Momentan-Bandbreite (entsprechend der maximalen Bitrate eines
durch den Schalter geleiteten Signals) als auch der Gesamtbandbreite
(entsprechend dem gesamten Wellenlängenbereich, welcher möglicher
weise zahlreiche Kanäle enthält, die gleichzeitig schaltbar sind).
Die vorliegende Erfindung behebt zahlreiche weitere Nachteile der her
kömmlichen optischen digitalen Schalter. Beispielsweise wird die oben
erwähnte Beschränkung der Bitrate, zurückzuführen auf die Differenz im
effektiven Index zwischen den beiden Polarisationen, verringert. Außer
dem beseitigt die vorliegende Erfindung den Nachteil, daß für die zwei
Polarisationen verschiedene Übertragungsfunktionen vorhanden sind, was
auf den Umstand zurückzuführen ist, daß die zwei Polarisationen norma
lerweise unterschiedliche elektrooptische Koeffizienten sehen. Zusätzlich
beseitigt die vorliegende Erfindung den Effekt der Polarisation, welche
normalerweise den außerordentlichen Brechungsindex sieht. Dieser Teil
des Signals unterlegt einer Oberflächenleitung, hervorgerufen durch das
Ausdiffundieren von Li, welches möglicherweise die Leistung der Schal
ter in beispielsweise einer Koppelmatrix beeinträchtigt. Erfindungsgemäß
jedoch wird dies durch die gewählten Orientierungen vermieden.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden erreicht durch die
vorliegende Erfindung, welche einen monokristallinen Wafer mit X-
Schnitt oder nahezu Y-Schnitt aus elektrooptischem Material als Substrat
eines optischen Digitalschalters schafft. In den Wafer hinein sind zur
Bildung von bandförmigen Wellenleitern Wellenleiter aus Ti:LiNbO3
eindiffundiert. Diese Wellenleiter bilden eine Y-Form, deren Brechungs
indizes durch dazu in enger Nachbarschaft angeordnete Elektroden ge
steuert werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen herkömmlichen optischen digitalen 2×2-Schalter;
Fig. 2 eine graphische Darstellung einer praktischen Übertra
gungsfunktion für den in Fig. 1 gezeigten optischen digita
len Schalter;
Fig. 3 den Aufbau eines Schaltbaums;
Fig. 4 einen digitalen optischen 1×2-Schalter, wie er in dem
Schaltbaum nach Fig. 3 verwendet wird;
Fig. 5 eine erste Ausführungsform eines optischen Digitalschalters
gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines
optischen digitalen Schalters mit X-Schnitt und nahezu Z-
Ausbreitung;
Fig. 6 eine graphische Darstellung der effektiven r-Koeffizienten
des in Fig. 5 dargestellten Schalter als Funktion des Win
kels zwischen der Z-Achse und der Ausbreitungsrichtung;
Fig. 7 eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Ver
wendung eines digitalen optischen Schalters mit nahezu Y-
Schnitt und nahezu Z-Ausbreitung;
Fig. 8 eine Kristallstruktur und die Orientierung eines Koordina
tensystems bei LiNbO3;
Fig. 9 eine dritte Ausführungsform der Erfindung unter Verwen
dung eines digitalen optischen 2×2-Schalters mit X-Schnitt
und nahezu Z-Ausbreitung; und
Fig. 10 eine vierte Ausführungsform der Erfindung unter Verwen
dung eines digitalen optischen 2×2-Schalters mit nahezu Y-
Schnitt und nahezu Z-Ausbreitung.
Wenn optische Schalter in Ti:LiNbO3 ausgebildet werden, wird üblicher
weise eine solche Kristallorientierung gewählt, die die Verwendung des
stärksten elektrooptischen r-Koeffizienten (r33 in konzentrierter Index
schreibweise r333 in nicht-konzentrierter Schreibweise) entsprechend einer
Änderung des Brechungsindex in Z-Richtung aufgrund eines in Z-Rich
tung angelegten Feldes liefert. Diese Orientierungen sind Z-Schnitt bei
X- oder Y-Ausbreitung, Y-Schnitt mit X-Ausbreitung und X-Schnitt mit
Y-Ausbreitung. Beispielsweise bedeutet Z-Schnitt und Y-Ausbreitung,
daß die Lichtkanäle derart ausgerichtet sind, daß die Lichtausbreitung
vornehmlich in der Y-Richtung innerhalb des Kristalls stattfindet, und
daß die Oberfläche senkrecht zu der Z-Achse orientiert ist. Bei solchen
Orientierungen läuft die Z-Achse senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung.
Ein Unterschied zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand
der Technik ist die Orientierung der Z-Achse relativ zu der Ausbrei
tungsrichtung. Bei der vorliegenden Erfindung liegt die Ausbreitungs
richtung nahezu parallel zu der Z-Achse, und verläuft nicht entlang der
X- oder Y-Achse.
Wafermaterial aus beispielsweise Lithiumniobat besitzt eine Kristallstruk
tur. Fig. 8 zeigt die Orientierung eines rechtwinkligen, rechtshändigen
Koordinatensystems X, Y, Z, dem ein kristallographisches Koordinaten
system a, b, c, zugeordnet ist. Die Achsen dieses Koordinatensystems
sind derart gewählt, daß die X-Achse in Richtung der kristallographi
schen a-Achse weist und die Z-Achse in Richtung der kristallographi
schen c-Achse zeigt, bei der es sich um die optische Achse handelt.
Lithiumniobat besitzt doppelten Brechungsindex, und seine Brechungs
indizes werden durch einen Rotationselipsoid beschrieben. Der Schnitt
des Ellipsoids mit der X-Y-Ebene ist ein Kreis, und sein Schnitt mit der
X-Z-Ebene ist eine Ellipse, deren Hauptachse dem Durchmesser des
Kreises entspricht. Ein monochromatischer Lichtstrahl in Richtung der
Z-Achse wird in dem Kristall durch einen Brechungsindex bewirkt,
dessen Betrag dem Kreisradius entspricht. Die Stärke der Brechungs
indizes ist abhängig von der Richtung der Lichtstrahl-Polarisation, und
sämtliche Polarisationsrichtungen des Lichtstrahls breiten sich mit
derselben Geschwindigkeit durch den Kristall aus. Im Gegensatz dazu
weist ein sich in die anderen Richtungen ausbreitender Lichtstrahl Eigen
polarisationen auf, die durch Brechungsindizes unterschiedlicher Beträge
beeinflußt werden, wobei diese Beträge abhängen von dem Winkel zwi
schen der Ausbreitungsrichtung und der Z-Achse. Lichtstrahlen mit
derselben Richtung, jedoch mit unterschiedlichen Polarisationsebenen
breiten sich in dem Kristall mit verschiedenen Geschwindigkeiten aus.
Das Ergebnis hiervon ist, daß ein Lichtimpuls, welcher Leistung in
beiden Eigenpolarisationen besitzt, eine Impulsverlängerung erfährt,
wenn er den Kristall durchläuft, falls die Ausbreitungsrichtung von der
Z-Richtung abweicht. Die Impulsverlängerung wiederum beschränkt die
hohe Impulsfrequenz, bei der ein aus einem Kristallmaterial gefertigtes
Bauteil zu arbeiten vermag.
Um ein Bauteil mit höherer oberer Impulsfrequenz zu erhalten, wird die
Orientierung des Wafers derart gewählt, daß die Richtung der Wellenlei
ter 181-183 (Fig. 5) erfindungsgemäß im wesentlichen mit derjenigen
der Z-Achse zusammenfallen. Die Schwingungsmoden der Lichtwelle,
der TE-Typ, der parallel zur Oberfläche polarisiert ist, und der TM-
Typ, der senkrecht zur Oberfläche polarisiert ist, besitzen in diesem Fall
annähernd gemeinsame Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Das Maß, mit
dem Licht irgendeinen gegebenen Wellenleiter durchläuft, kann beein
flußt werden durch ein in dem Kristall induziertes elektrisches Feld. Das
elektrische Feld ändert die Form des Brechungsindex-Ellipsoids nach
Maßgabe des Pockel-Effekts für schwache elektrische Felder. Die Ände
rungen werden in den meisten allgemeinen dreidimensionalen Fällen
mathematisch beschrieben durch einen drittrangigen Tensor mit 27 Ten
sorelementen. Diese werden üblicherweise mit rÿ,k bezeichnet, wobei die
Indizes i, j und k die Werte 1, 2 oder 3 annehmen können. Die Indizes
beziehen sich auf das rechtwinklige, rechtshändige Koordinatensystem
(häufig werden die zwei ersten Indizes gruppenweise zu sogenannten
konzentrierten Indizes zusammengefaßt: 1,1 wird als 1 bezeichnet; 2,2
wird als 2 bezeichnet; 3,3 wird als 3 bezeichnet; 2,3 wird als 4 bezeich
net; 1,3 wird als 5 bezeichnet und 1,2 wird als 6 bezeichnet.) Die Ten
sorelemente rÿ,k haben die physikalische Dimension von Länge pro
elektrischer Potentialdifferenz (Meter pro Volt), was das Maß der Ände
rung zwischen den Schwingungsmoden ist, die durch das elektrische
Feld erreicht wird. Diese Änderungen des Brechungsindex haben Einfluß
auf die Schwingungsmoden TM und TE, so daß der Schaltvorgang
durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß ist der optische Schalter unabhängig von der Polarisa
tion. Die Orientierung des monokristallinen Wafers wird in folgender
Weise ausgewählt:
Wenn eine Kanalorientierung ausgewählt wird, die nicht entlang den
kristallographischen X-, Y- oder Z-Achsen verläuft, ist der "effektive"
elektrooptische Tensor (wie er von den zwei Polarisationen in dem
Kanal gesehen wird) eine Linearkombination der "konventionellen" r-
Koeffizienten (in dem X-, Y-, Z-(1,2,3)-System.
Fig. 6 zeigt die effektiven r-Koeffizienten für die zwei Polarisationen,
die von den Kanal-Wellentypen gesehen werden, wenn eine Ausbrei
tungsrichtung in der Nachbarschaft der Z-Achse innerhalb der Y-Z-
Ebene gewählt wird, wobei die Kanalmittelachse in eine Richtung zwi
schen der negativen Y-Achse und der positiven Z-Achse zeigt und ge
genüber letzterer einen Abweichungswinkel R vorliegt. Wie man sieht,
haben bei R = 0 die r-Koeffizienten unterschiedliche Vorzeichen, was
bedeutet, daß die reine Z-Ausbreitungsrichtung in Verbindung mit dem
optischen digitalen Schalter nicht verwendet werden kann (da dies unter
schiedliche Polarisationen zu verschiedenen Ports leiten würde und da es
sich deshalb nicht um einen Schalter, sondern um einen Polarisationsauf
spalter handelt). Wenn allerdings der Winkel R auf annähernd 10 Grad
angehoben wird, erreicht man den gleichen Betrag und das gleiche Vor
zeichen der effektiven elektrooptischen Koeffizienten. Deshalb kann man
diese Ausbreitungsrichtung für optische digitale Schalter verwenden.
Man beachte, daß dies lediglich die Ausbreitungsrichtung definiert, der
Kristallschnitt kann in zwei grundsätzlich verschiedenen Weisen gewählt
werden, die beide interessant sind (der Grund dafür, daß lediglich zwei
Kristallschnitte interessieren, besteht darin, daß es möglich sein muß,
das maßgebliche elektrische Feld über den Elektroden bereitzustellen).
Selbstverständlich gibt es Kristallschnitte, die den oben beschriebenen
Kristallschnitten äquivalent sind (wenn z. B. das Substrat mit der Ober
seite nach unten bei jedem der vorgeschlagenen Schnitte angeordnet wird
oder wenn die Ausbreitungsrichtung des Lichts umgekehrt wird).
Der bei der ersten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagene
Kristallschnitt ist ein X-Schnitt bei einer Kanalorientierung entsprechend
den gleichen effektiven r-Koeffizienten für die zwei Kanal-Wellentypen
(oder annähernd gleich, ein exakter Betrieb auf dem "gleichen" Betriebs
punkt ist nicht notwendig), wie in Fig. 6 gezeigt ist. Die Gründe für
diese Wahl des Kristallschnitts liegen darin, daß Material mit X-Schnitt
eine Standard-Orientierung darstellt, welche diese Wahl einfach und für
die Praxis brauchbar macht.
Fig. 5 stellt eine erste Ausführungsform eines optischen Digitalschalters
gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der Schalter setzt sich zusam
men aus einem einen X-Schnitt aufweisenden monokristallinen Wafer
180 aus elektrooptischem Material, auf welchem bandförmige Wellenlei
ter 181-183 durch Diffundieren von Ti in das elektrooptische LiNbO3-
Material ausgebildet sind. Die Wellenleiter 181 bis 183 sind in Form
eines "Y" ausgebildet und beinhalten einen ersten Wellenleiter 181 an
einer Oberseite des Wafers, welche nahezu parallel zu der Z-Achse des
Wafers verläuft.
Dieser erste Wellenleiter 181 bildet den Schenkel der Y-Form. Ein
zweiter und ein dritter Wellenleiter 182,183 sind auf der Oberseite des
Wafers ausgebildet. Der zweite und der dritte Wellenleiter 182, 183
bilden die Arme der Y-Form, wobei der erste Wellenleiter 181 an einem
Zwischenbereich geschnitten wird. Eine erste Elektrode 186, an welche
eine Spannung angelegt wird, ist in dem Kreuz der Y-Form ausgebildet.
Die erste Elektrode 186 ist auf der Oberseite des Wafers 180 ausgebildet
und im wesentlichen durch den zweiten und den dritten Wellenleiter
182, 183 begrenzt. Eine zweite und eine dritte Elektrode 184,188 sind
in der Nachbarschaft der Außenränder oder -grenzen des zweiten und
des dritten Wellenleiters 182,183, welche die Arme der Y-Form bilden,
ausgebildet. Diese Elektroden 184 und 186 sind auf Masse gelegt und
liegen der ersten Elektrode 186 über den zweiten bzw. den dritten Wel
lenleiter 182, 183 gegenüber. Im allgemeinen lassen sich die Elektrode
(die Elektroden), welche auf Masse gelegt wird (werden) und die Elek
trode (die Elektroden), denen ein Potential zugeführt wird, austauschen.
Wenn eine starke Spannung an die erste Elektrode 186 gelegt wird,
ändert das induzierte elektromagnetische Feld die Brechungsindizes der
Wellenleiter, um auf diesen Weise das ankommende Licht aus einem
Wellenleiter umzuschalten auf den anderen Wellenleiter, wie es dem
Fachmann an sich bekannt ist.
Die Ausbreitungsrichtung der Wellenleiter 181-183 bildet mit der Z-
Achse des Wafers 180 einen Winkel R. Dieser Winkel ist ein spitzer
Winkel R und liegt vorzugsweise zwischen 0 und 20 Grad. Optimal ist
es, wenn der spitze Winkel R zwischen der Ausbreitungsrichtung des
ersten Wellenleiters 181 und der Z-Achse einen Winkel von ungefähr 10
Grad bildet, wie oben ausgeführt ist.
Wie oben angedeutet, zeigt Fig. 6 die effektiven r-Koeffizienten (die
elektrooptischen Koeffizienten, die auf die senkrecht zur Ausbreitungs
richtung verlaufenden Richtung projiziert sind) für eine durch die in Fig.
5 gezeigte Struktur bedingte Orientierung als Funktion des Winkels R
zwischen der Z-Achse und der Ausbreitungsrichtung. Die gestrichelte
Linie repräsentiert den TE-Wellentyp, und die ausgezogene repräsentiert
den TM-Wellentyp. Wie man sieht, ist ein Winkel R zwischen der Z-
Achse und der Ausbreitungsrichtung von annähernd 10 Grad für dieses
spezielle Ausführungsbeispiel optimal.
Die zwei Polarisationen sehen einen effektiven r-Koeffizienten mit glei
chem Vorzeichen und gleichem Betrag. In der "reinen" Z-Ausbreitungs
richtung gibt es gleichen Betrag, jedoch entgegengesetztes Vorzeichen.
Ähnliche r-Koeffizienten bedeuten, daß die Übertragungsfunktionen für
die zwei Polarisationen ähnlich sind, so daß eine kleine Signalmodula
tion möglich ist. Da die von den zwei Schwingungstypen gesehenen
effektiven Brechungsindizes enger beieinander liegen als bei Orientierun
gen, bei denen die Z-Achse senkrecht zur Ausbreitungsrichtung verläuft,
kommt die oben erwähnte Bandbreitenbegrenzung nicht zum Tragen,
wenn nicht viel höhere Bitraten verwendet werden. Da außerdem das
Licht im wesentlichen einen ordentlichen Index sieht, ist das Problem
des Nach-Außen-Diffundierens viel weniger gravierend. Auf der einen
Seite werden diese Vorteile auf Kosten höherer Treiberspannungen
erreicht, die in der Größenordnung von 30% höher liegen als bei kon
ventionellen polarisationsunabhängigen optischen digitalen Schaltern.
Andererseits können halbstreuende Schwingungstypen, die bei der Orien
tierung gemäß Fig. 5 vorhanden sind, aufgrund der Polarisationskopp
lung mit Substrat-Schwingungstypen besonders starke Verluste für die
TE-Polarisation bedeuten, d. h. einen überschüssigen Verlust aufgrund
der TE-TM-Kopplung (beschrieben von J. Ctoroky, M. Cada, "Guided
and Semileaky Modes in Anisotropic Optical Waveguides of the LiNbO3
Type," Optics Communications, Vol 27, (1978), S. 353-356). Wenn
allerdings die Kristallorientierung um die Ausbreitungsrichtung um 90
Grad gedreht wird, ergibt sich eine Orientierung, die unter diesem
Nachteil nicht leidet (vergleiche z. B. den Artikel von Ctoroky mit Fund
stellen). Die sich ergebende Orientierung ist nahezu ein Y-Schnitt bei
nahezu Z-Ausbreitung entsprechend der zweiten Version der vorliegen
den Erfindung. (Man beachte in Fig. 6, daß ein X-Schnitt angenommen
wird, was sich in der Zuordnung der TE- und TM-Polarisationen zeigt.)
Ein eine solche Orientierung und korrekte r-Koeffizienten verwendender
Schalter ist in Fig. 7 gezeigt.
Fig. 7 zeigt einen digitalen optischen Schalter mit annäherndem Y-
Schnitt und nahezu Z-Ausbreitung. Bei dieser Orientierung wird der
überschüssige Verlust aufgrund der halbstreuenden Schwingungstypen,
welcher möglicherweise den Schalter nach Fig. 5 beeinflußt, vermieden.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung enthält der optische Schalter
einen monokristallinen Wafer 190 aus elektrooptischem LiNbO3-Material
mit nahezu Y-Schnitt, wobei die X-Achse in der Ebene der Oberfläche
liegt.
Ein erster Wellenleiter 191 auf einer Oberseite des Wafers ist so orien
tiert, daß er nahezu parallel zu der Z-Achse des Wafers 190 verläuft.
Ein zweiter und ein dritter Wellenleiter 192, 193 auf einer Oberseite des
Wafers 190 schneiden den ersten Wellenleiter 191 und bilden damit die
Arme am Schenkel einer Y-Form. Eine erste Elektrode 194 befindet sich
auf der Waferoberfläche und fällt praktisch zusammen mit einem Ab
schnitt des zweiten Wellenleiters 192, während eine zweite Elektrode
195 benachbart zu dem dritten Wellenleiter 193 angeordnet ist und
praktisch mit diesem zusammenfällt. Die erste Elektrode 194 kann eine
Spannung erhalten, während die zweite Elektrode 195 auf Masse gelegt
ist. Durch selektives Anlegen einer relativ hohen Spannung an die erste
Elektrode 194 werden die Brechungsindizes und damit die Ausbreitung
des Lichts in den bandförmigen Wellenleitern gesteuert.
Der erste, der zweite und der dritte Wellenleiter 191-193 werden gebil
det durch Diffundieren von Ti in den LiNbO3-Wafer.
Der erste Wellenleiter 191 bildet einen spitzen Winkel R bezüglich der
Z-Achse des Wafers. Der spitze Winkel R hat einen Wert in dem Be
reich von vorzugsweise 0 bis 20 Grad. Optimal ist der spitze Winkel R
auf annähernd 10 Grad eingestellt, und zwar aus Gründen, die oben
erläutert wurden. In ähnlicher Weise besitzt die Flächennormale des
Wafers 190 eine Orientierung von 0-20 Grad und vorzugsweise an
nähernd 10 Grad bezüglich der Y-Achse des Materials. Ein Nachteil
dieses Schalters ist der spezielle Kristallschnitt, der benötigt wird, um
den nahezu Y-Schnitt zu erhalten. Im übrigen zeigt dieser Schalter eine
verbesserte Gesamtbandbreite und Stabilität, eine erhöhte Momentan
bandbreite (praktisch die gleichen effektiven Indizes für beide Polarisa
tionen), gute Linearität (gleiche r-Koeffizienten), verringertes Ausdiffun
dieren und verringerten Zugriffsverlust bei halbstreuenden Wellentypen.
Typischerweise gibt es ein Spannungs-Längen-Produkt, welches für
einen spezifischen Typ von Schalterelement, eine spezielle Orientierung
und besondere Wellenleiterparameter konstant ist. Dies bedeutet, daß,
wenn man die Länge des Bauelements verdoppelt (d. h. den Teilungs
winkel der Y-Verzweigung des digitalen optischen Schalters verdoppelt)
die zur Erreichung eines spezifischen Schalterzustands erforderliche
Spannung halbiert wird. Typische Zahlen für einen digitalen optischen
Schalter aus LiNbO3 sind +/- 60 Volt zum Umschalten der ordentlichen
Polarisation was höhere Spannungen erfordert) bei annähernd -15 dB
Übersprechen (für ein Beispiel mit X-Schnitt und Y-Ausbreitung) in
einem Schalter mit einem 0,004 Radiant betragenden Aufteilungswinkel
(dem Winkel zwischen den Schenkeln der Y-Verzweigung). Bei der
vorliegenden Erfindung lassen sich etwas höhere Spannungen (in der
Größenordnung von 30 Prozent zusätzlich) erwarten.
Der Bereich für den spitzen Winkel kann 0 bis 20 Grad betragen, um
die interessierenden Fälle abzudecken. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist,
wird, wenn dieser Winkel sehr klein ist (z. B. kleiner als 4 Grad ist) das
richtige relative Vorzeichen der effektiven elektrooptischen Koeffizienten
nicht erhalten werden.
Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung in Form eines
digitalen optischen 2×2-Schalters 200 mit einem X-Schnitt und nahezu Z-
Ausbreitung. Der digitale optische Schalter 200 enthält einen monokri
stallinen LiNbO3-Wafer, auf welchem Bandleiter aus Titan in Form eines
asymmetrischen Y-Verzweigungs-Wellenleiters 201 auf einer Seite und
eines symmetrischen Y-Verzweigungs-Wellenleiters 202 auf der anderen
Seite ausgebildet sind. Die letztgenannte Verzweigung 202 kann dadurch
asymmetrisch gestaltet werden, daß man über die Elektroden 203, 204
und 205 ein elektrisches Feld anlegt.
Die jeweiligen Zweige 201 und 202 sind zur Bildung einer X-Form
verbunden, in der die Zweige bezüglich einer Achse annähernd sym
metrisch sind, welche einen spitzen Winkel mit der Z-Achse des Wafers
bildet. Der spitze Winkel liegt im Bereich von 0 bis 20 Grad, vorzugs
weise bei 10 Grad, ebenso wie bei den anderen Ausführungsformen.
Eine asymmetrische Y-Verzweigung 201 vollzieht eine Wellentyp-Sortie
rung, vorausgesetzt, der Übergang erfolgt adiabatisch. Damit geht der
Kanal-Schwingungstyp in dem Eingangswellenleiter mit dem höchsten
effektiven Index entlang der Verzweigung allmählich über in den lokalen
Normal-Schwingungstyp erster Ordnung (Grundtyp) des zwei Schwin
gungstypen führenden Bereichs, in welchem die Kanäle sich nahe sind
und einander beeinflussen (es gibt keine Leistungsübertragung zwischen
den lokalen Normal-Schwingungstypen; bei einer großen Trennung hat
der Schwingungstyp der ersten Ordnung die Form des Kanal-Schwin
gungstyps). In der gleichen Weise geht der Schwingungstyp in dem
anderen Kanal über in den Schwingungstyp zweiter Ordnung. Damit
transformiert sich das Signal in dem breiten Kanal in den Schwingungs
typ erster Ordnung innerhalb der Mittelzone, während das Signal in dem
schmaleren Kanal sich innerhalb der Mittelzone zu dem Schwingungstyp
zweiter Ordnung transformiert. Wenn die andere Hälfte 202 des Schal
ters 200 ebenfalls asymmetrisch ist (d. h., eine ungerade Indexstörung
induziert), indem eine Spannung an die Elektrode 205 gelegt und die
Elektroden 203 und 205 auf Masse gelegt werden (oder umgekehrt),
transformiert sich der Schwingungstyp erster Ordnung in der Mittelzone
(entsprechend dem breiten Eingangskanal) zu dem Ausgangskanal mit
dem höchsten Index, und umgekehrt transformiert sich der Schwingungs
typ zweiter Ordnung zu dem Ausgangskanal mit dem niedrigsten Index.
Da die Asymmetrie der Ausgangs-Y-Verzweigung sich auf elektroopti
schem Wege ändern läßt, arbeitet das Bauelement als 2×2-Schalter,
vorausgesetzt, daß die Indexstörung groß genug ist und die Transforma
tion adiabatisch ist. Wenn eine Spannung von null an die Elektroden
gelegt wird, erfolgt für beide Signale eine 3-dB-Aufspaltung.
Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der es sich
um einen Sortierschalter 210 mit nahezu Y-Schnitt und nahezu Z-Aus
breitung handelt. Der Wellentyp-Sortierschalter 210 wirkt als digitaler
optischer 2×2-Schalter und enthält einen LiNbO3-Wafer, in welchem
bandförmige Lichtleiter aus diffundiertem Titan in Form eines asym
metrischen Y-Verzweigungs-Wellenleiters 211 an einer Seite und eines
symmetrischen Y-Verzweigungs-Wellenleiters 212 an der anderen Seite
ausgebildet sind. Die letztere Verzweigung 212 kann dadurch asymme
trisch gemacht werden, daß über die Elektroden 213 und 214 ein elek
trisches Feld angelegt wird.
Ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform sind die jeweiligen Ver
zweigungen 211 und 212 zur Bildung einer X-Form miteinander ver
bunden, bei der die Verzweigungen annähernd symmetrisch bezüglich
einer Achse sind, die mit der Z-Achse des Wafers einen spitzen Winkel
bildet. Der spitze Winkel liegt im Bereich von 0 bis 20 Grad und beträgt
vorzugsweise 10 Grad, so wie bei den anderen Ausführungsbeispielen.
In ähnlicher Weise besitzt die Flächennormale auf dem Wafer 190 eine
Orientierung von 0 bis 20 und vorzugsweise etwa 10 Grad bezüglich der
Y-Achse des Materials.
Wie bei der dritten Ausführungsform besorgt eine asymmetrische Y-
Verzweigung eine Wellentyp-Sortierung, vorausgesetzt, daß der Über
gang adiabatisch ist, indem der Kanal-Wellentyp in dem
Eingangswellenleiter mit dem höchsten effektiven Index entlang der
Verzweigung allmählich übergeht in den örtlichen Normal-Schwingungs
typ erster Ordnung (Grundtyp) der zwei Wellentypen aufweisenden
Zone, wobei die Kanäle nahe beieinander liegen und Einfluß aufeinander
haben (es gibt keine Leistungsübertragung zwischen den lokalen Normal-
Wellentypen; bei starker Trennung hat der Wellentyp erster Ordnung
(d. h. der erste Wellentyp höherer Ordnung) die Form des Kanal-Wellen
typs). In der gleichen Weise geht der Wellentyp des anderen Kanals in
den Wellentyp zweiter Ordnung über. Damit transformiert sich das
Signal in dem breiten Kanal zu dem Wellentyp erster Ordnung in der
Mittelzone, während das Signal in dem schmaleren Kanal sich in der
Mittelzone zu dem Wellentyp zweiter Ordnung transformiert. Wenn die
andere Hälfte 212 des Schalters 210 ebenfalls asymmetrisch ist (d. h.
eine ungerade Indexstörung induziert wird), indem eine Spannung an die
Elektroden 213 und 214 gelegt wird, transformiert sich der Wellentyp
erster Ordnung in der Mittelzone zu dem Ausgangskanal mit dem
höchsten Index, und umgekehrt geht der Wellentyp zweiter Ordnung in
den Ausgangskanal mit dem niedrigsten Index über.
Da die Ausgangs-Y-Verzweigungs-Asymmetrie elektrooptisch geändert
werden kann, arbeitet das Bauelement als 2×2-Schalter, vorausgesetzt,
die Indexstörung ist groß genug und die Transformation erfolgt adiaba
tisch. Wenn eine Spannung von null an die Elektroden gelegt wird,
erfolgt für beide Signale eine 3-dB-Aufspaltung.
Der Ausdruck "digital" in Verbindung mit diesen Schaltern hat zu tun
mit der Übertragungsfunktion (der Leistung, die als Funktion der ange
legten Spannung auf die Schalterausgänge gekoppelt wird). Bei inter
ferometrischen Schaltern wie z. B. Richtungskopplern, erhält man Über
tragungsfunktionen mit Schwingungen in Abhängigkeit der Spannung. Im
Fall des digitalen optischen Schalters wird ein Wellentyp-Sortierverhal
ten dargestellt, welches auf der Wellentyp-Entwicklung basiert. Dies
bedeutet, daß die genannte Schwingung nicht erhalten wird (wenn die
Indexdifferenz in einem spezifischen Fall groß genug ist, erfolgt eine
vollständige Umschaltung, während eine Änderung auch dann nicht
erfolgt, wenn die Indexdifferenz weiter erhöht wird). Deshalb sind die
Übertragungsfunktionen "digital".
Claims (48)
1. Optischer Schalter, umfassend:
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit X- Schnitt;
einen ersten Wellenleiter an einer Oberseite des Wafers, wobei eine Achse des Wellenleiters nahezu parallel zu der Z-Achse des Wafers verläuft;
einen zweiten und einen dritten Wellenleiter an der Oberseite des Wa fers, wobei der erste Wellenleiter und der zweite und der dritte Wellen leiter sich mit einer der Form eines "Y" entsprechenden Orientierung eines Schenkels und der Arme schneiden;
eine erste Elektrode, die benachbart zu dem zweiten und dem dritten Wellenleiter angeordnet ist und von diesen im wesentlichen begrenzt wird; und
eine zweite und eine dritte Elektrode in der Nachbarschaft des zweiten und dritten Wellenleiters, wobei diese beiden Elektroden jeweils der ersten Elektrode über einen von dem zweiten und dem dritten Wellenlei ter gegenüberliegen.
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit X- Schnitt;
einen ersten Wellenleiter an einer Oberseite des Wafers, wobei eine Achse des Wellenleiters nahezu parallel zu der Z-Achse des Wafers verläuft;
einen zweiten und einen dritten Wellenleiter an der Oberseite des Wa fers, wobei der erste Wellenleiter und der zweite und der dritte Wellen leiter sich mit einer der Form eines "Y" entsprechenden Orientierung eines Schenkels und der Arme schneiden;
eine erste Elektrode, die benachbart zu dem zweiten und dem dritten Wellenleiter angeordnet ist und von diesen im wesentlichen begrenzt wird; und
eine zweite und eine dritte Elektrode in der Nachbarschaft des zweiten und dritten Wellenleiters, wobei diese beiden Elektroden jeweils der ersten Elektrode über einen von dem zweiten und dem dritten Wellenlei ter gegenüberliegen.
2. Schalter nach Anspruch 1, bei dem das elektrooptische Material ein
polarisationsabhängiges Material aufweist.
3. Schalter nach Anspruch 1 und 2, bei dem der erste, der zweite und
der dritte Wellenleiter LiNbO3 beinhaltet.
4. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die zweite und die dritte Elek
trode elektrisch auf Masse gelegt sind.
5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem an die erste
Elektrode eine Spannung gelegt wird.
6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem an die zweite
und die dritte Elektrode eine Spannung gelegt wird.
7. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die erste Elektrode elektrisch auf
Masse gelegt ist.
8. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die Achse des ersten Wellenleiters
bezüglich der Z-Achse des Wafers einen spitzen Winkel bildet.
9. Schalter nach Anspruch 8, bei dem der spitze Winkel einen Wert im
Bereich von 0 bis 20 Grad besitzt.
10. Schalter nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der spitze Winkel an
nähernd 10 Grad beträgt.
11. Optischer Schalter, umfassend:
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit nahezu Y-Schnitt;
einen ersten Wellenleiter an einer Oberseite des Wafers, wobei eine Achse des ersten Wellenleiters nahezu parallel zu der Z-Achse des Wa fers verläuft;
einen ersten und einen zweiten Wellenleiter an der Oberseite des Wa fers, wobei der erste Wellenleiter und der zweite und der dritte Aus gangs-Wellenleiter sich so schneiden, daß eine Y-Form mit einem Schenkel und Armen gebildet wird;
eine erste Elektrode, die dem zweiten Wellenleiter benachbart ist und praktisch mit diesem zusammenfällt; und eine zweite Elektrode, die dem dritten Wellenleiter benachbart ist und praktisch mit diesem zusam menfällt.
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit nahezu Y-Schnitt;
einen ersten Wellenleiter an einer Oberseite des Wafers, wobei eine Achse des ersten Wellenleiters nahezu parallel zu der Z-Achse des Wa fers verläuft;
einen ersten und einen zweiten Wellenleiter an der Oberseite des Wa fers, wobei der erste Wellenleiter und der zweite und der dritte Aus gangs-Wellenleiter sich so schneiden, daß eine Y-Form mit einem Schenkel und Armen gebildet wird;
eine erste Elektrode, die dem zweiten Wellenleiter benachbart ist und praktisch mit diesem zusammenfällt; und eine zweite Elektrode, die dem dritten Wellenleiter benachbart ist und praktisch mit diesem zusam menfällt.
12. Schalter nach Anspruch 11, bei dem das elektrooptische Material ein
polarisationsabhängiges Material aufweist.
13. Schalter nach Anspruch 12, bei dem das elektrooptische Material
LiNbO3 beinhaltet.
14. Schalter nach Anspruch 11, bei dem die zweite Elektrode elektrisch
auf Masse gelegt ist.
15. Schalter nach Anspruch 11, bei dem eine Spannungsquelle eine
Spannung an die erste Elektrode gibt.
16. Schalter nach Anspruch 11, bei dem die Spannung an die zweite
Elektrode gelegt wird.
17. Schalter nach Anspruch 11, bei dem die erste Elektrode elektrisch
auf Masse gelegt ist.
18. Schalter nach Anspruch 11, bei dem die Achse des ersten Wellenlei
ters zu der Z-Achse des Wafers einen spitzen Winkel bildet.
19. Schalter nach Anspruch 18, bei dem der spitze Winkel einen Wert
im Bereich von 0 bis 20 Grad besitzt.
20. Schalter nach Anspruch 18 oder 19, bei dem der spitze Winkel
annähernd 10 Grad beträgt.
21. Optischer Schalter nach Anspruch 11, bei dem eine Y-Achse des
Wafers einen zweiten spitzen Winkel relativ zu der Oberseite des Wafers
bildet, so daß nahezu ein Y-Schnitt gebildet wird.
22. Schalter nach Anspruch 21, bei dem der zweite spitze Winkel einen
Wert im Bereich von 0 bis 20 Grad besitzt.
23. Schalter nach Anspruch 21, bei dem der zweite spitze Winkel an
nähernd 10 Grad beträgt.
24. Schalter nach Anspruch 11, bei dem die X-Achse des Wafers in
einer Ebene der Oberseite des Wafers liegt.
25. Optischer 2×2-Schalter, umfassend:
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit X- Schnitt;
einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Wellenleiter an einer Oberseite des Wafers, wobei sich diese Wellenleiter so schnei den, daß sie die Arme einer X-Figur bilden, deren Achse etwa sym metrisch zwischen dem ersten und dem zweiten und dem dritten und dem vierten Wellenleiter liegt und nahezu parallel zu der Z-Achse des Wafers verläuft;
eine erste Elektrode, die zu dem dritten und dem vierten Wellenleiter benachbart ist und von diesen im wesentlichen begrenzt wird; und
eine zweite und eine dritte Elektrode benachbart zu dem dritten und dem vierten Wellenleiter, wobei beide Elektroden der ersten Elektrode über einen von dem dritten und dem vierten Wellenleiter gegenüberliegt.
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit X- Schnitt;
einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Wellenleiter an einer Oberseite des Wafers, wobei sich diese Wellenleiter so schnei den, daß sie die Arme einer X-Figur bilden, deren Achse etwa sym metrisch zwischen dem ersten und dem zweiten und dem dritten und dem vierten Wellenleiter liegt und nahezu parallel zu der Z-Achse des Wafers verläuft;
eine erste Elektrode, die zu dem dritten und dem vierten Wellenleiter benachbart ist und von diesen im wesentlichen begrenzt wird; und
eine zweite und eine dritte Elektrode benachbart zu dem dritten und dem vierten Wellenleiter, wobei beide Elektroden der ersten Elektrode über einen von dem dritten und dem vierten Wellenleiter gegenüberliegt.
26. Schalter nach Anspruch 25, bei dem das elektrooptische Material ein
polarisationsabhängiges Material ist.
27. Schalter nach Anspruch 25, bei dem der erste, der zweite, der dritte
und der vierte Wellenleiter LiNbO3 beinhalten.
28. Schalter nach Anspruch 25, bei dem die zweite und die dritte Elek
trode elektrisch auf Masse gelegt sind.
29. Schalter nach Anspruch 25, bei dem an die erste Elektrode eine
erste Spannung gelegt wird.
30. Schalter nach Anspruch 25, bei dem an die zweite und die dritte
Elektrode Spannung gelegt wird.
31. Schalter nach Anspruch 25, bei dem die erste Elektrode elektrisch
auf Masse gelegt ist.
32. Schalter nach Anspruch 25, bei dem die Achse ungefährer Sym
metrie eine spitzen Winkel bezüglich der Z-Achse des Wafers aufweist.
33. Schalter nach Anspruch 32, bei dem der spitze Winkel einen Wert
im Bereich von 0 bis 20 Grad aufweist.
34. Schalter nach Anspruch 33, bei dem der spitze Winkel annähernd 10
Grad beträgt.
35. Optischer 2×2-Schalter, umfassend:
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit nahezu Y-Schnitt;
einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Wellenleiter an der Oberseite des Wafers, welche sich bei einer Orientierung der Arme einer X-Form schneiden und eine Achse ungefährer Symmetrie zwischen dem ersten und dem zweiten und dem dritten und dem vierten Wellenleiter aufweisen, die nahezu parallel zur Z-Achse des Wafers verläuft;
eine erste Elektrode, die dem dritten Wellenleiter benachbart ist und mit diesem im wesentlichen zusammenfällt; und
eine zweite Elektrode, die dem vierten Wellenleiter benachbart ist und mit diesem praktisch zusammenfällt.
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit nahezu Y-Schnitt;
einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Wellenleiter an der Oberseite des Wafers, welche sich bei einer Orientierung der Arme einer X-Form schneiden und eine Achse ungefährer Symmetrie zwischen dem ersten und dem zweiten und dem dritten und dem vierten Wellenleiter aufweisen, die nahezu parallel zur Z-Achse des Wafers verläuft;
eine erste Elektrode, die dem dritten Wellenleiter benachbart ist und mit diesem im wesentlichen zusammenfällt; und
eine zweite Elektrode, die dem vierten Wellenleiter benachbart ist und mit diesem praktisch zusammenfällt.
36. Schalter nach Anspruch 35, bei dem das elektrooptische Material ein
polarisationsabhängiges Material ist.
37. Schalter nach Anspruch 36, bei dem das elektrooptische Material
LiNbO3 beinhaltet.
38. Schalter nach Anspruch 35, bei dem die zweite Elektrode elektrisch
auf Masse gelegt ist.
39. Schalter nach Anspruch 35, bei dem eine Spannungsquelle eine
Spannung an die erste Elektrode liefert.
40. Schalter nach Anspruch 35, bei dem eine Spannungsquelle eine
Spannung an die zweite Elektrode liefert.
41. Schalter nach Anspruch 35, bei dem die erste Elektrode elektrisch
auf Masse gelegt ist.
42. Schalter nach Anspruch 35, bei dem die Achse des ersten Wellenlei
ters einen spitzen Winkel bezüglich der Z-Achse des Wafers bildet.
43. Schalter nach Anspruch 42, bei dem der spitze Winkel einen Wert
im Bereich 0 bis 20 Grad besitzt.
44. Schalter nach Anspruch 43, bei dem der spitze Winkel annähernd 10
Grad beträgt.
45. Schalter nach Anspruch 35 bei dem eine Y-Achse des Wafers einen
zweiten spitzen Winkel bezüglich der Oberseite des Wafers bildet, um
den ungefähren Y-Schnitt zu bilden.
46. Schalter nach Anspruch 45, bei dem der zweite spitze Winkel einen
Wert im Bereich von 0 bis 20 Grad hat.
47. Schalter nach Anspruch 46, bei dem der zweite spitze Winkel an
nähernd 10 Grad beträgt.
48. Schalter nach Anspruch 35, bei dem die X-Achse des Wafers in
nerhalb einer Ebene der Oberseite des Wafers liegt.
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