DE4433844A1

DE4433844A1 - TE/TM-Modenkonverter

Info

Publication number: DE4433844A1
Application number: DE4433844A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr Hinkov; Iliyana Hinkov
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-09-22
Filing date: 1994-09-22
Publication date: 1996-03-28

Description

Die Erfindung betrifft einen TE/TM-Modenkonverter bestehend aus einem Substrat körper aus Lithiumniobat mit einem monomodigen optischen Wellenleiter, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche erstreckt, wobei eine Eintrittsstirnfläche des Wellenleiters mit Licht einer Lichtquelle beauf schlagbar ist, und mit einem auf der Oberfläche am eintrittsstirnflächenseitigen Ende angeordneten elektro-akustischen Wandler, mit dem zum Wellenleiter bezüglich seiner Längsachse kollineare akustische Oberflächenwellen erzeugbar sind, sowie mit einer aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat bestehenden streifenförmigen Schicht, die den optischen Wellenleiter an seiner oberen der Substratoberfläche zugewandten Begrenzungsfläche zumindest in einem dem elektro-akustischen Wandler nachgeord neten Bereich bedeckt.

TE/TM-Modenkonverter, bei denen zur Modenkonversion der akusto-optische Effekt genutzt wird, sind als integriert-optische Bauelemente allgemein bekannt (E. Wagner, R. Dändliker, K. Spenner: Optical Sensors (Sensors, Bd. 6), VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim 1992, S. 402-405). Derartige TE/TM-Modenkonverter verfügen üb licherweise über einen Substratkörper aus Lithiumniobat, entlang dessen Oberfläche sich ein durch Titaneindiffusion hergestellter monomodiger optischer Wellenleiter er streckt und auf dessen Oberfläche ein elektro-akustischer Wandler angeordnet ist, mit dessen Hilfe zum optischen Wellenleiter bezüglich dessen Längsachse kollineare akustische Oberflächenwellen erzeugbar sind. Unter der Wirkung dieser akustischen Oberflächenwellen wird bei Einkopplung von Licht in den Wellenleiter die im Wellen leiter angeregte TE-Mode in eine TM-Mode umgewandelt. Eine effiziente Umwandlung findet bei einer ganz bestimmten akustischen Frequenz statt. Diese erforderliche Konversionsfrequenz f_a errechnet sich nach der Formel

f_a = (V_a/λ_o)·|n_TM-n_TE|.

Hierbei bezeichnen V_a die Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle,
λ_o die optische Wellenlänge des eingespeisten Lichtes, n_TM und n_TE die effektiven Brechzahlen der geführten TM bzw. TE-Moden. Da V_a und λ_o weitestgehend kon stant sind, wird die akustische Frequenz f_a, bei der die Modenkonversion stattfindet, durch die Wellenleiterdoppelbrechung |n_TM - n_TE| bestimmt, wobei die Wellenleiter doppelbrechung des Titan-Wellenleiters in Lithiumniobat nahezu identisch mit der Kristalldoppelbrechung |n_o - n_e| ist (n_o bedeutet die ordentliche und n_e die außeror dentliche Brechzahl von Lithiumniobat).

Für bestimmte Anwendungen der TE/TM-Modenkonverter ist es wünschenswert, die notwendige Konversionsfrequenz f_a gezielt verändern zu können.

Hierzu ist es bekannt, den elektro-optischen Effekt zu nutzen. Mit zwei beiderseits des optischen Wellenleiters auf der Oberfläche des Lithiumniobatkristalles angeordne ten und mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbaren Metallelektroden kann die Wellenleiterdoppelbrechung und folglich auch die Frequenz f_a geändert werden (Binh L.N., Livingstone J., Steven D.H., "Tunable acousto-optic TE-TM mode converter on a diffused optical waveguide", Optics Letters, Vol. 5, No. 3 (1980), pp. 83-84). Die erreichbare Frequenz-Verschiebung ist allerdings sehr gering und beträgt weniger als 1 MHz.

Andererseits ist auch ein integriert-optischer Sensor zur Erfassung des Brechungsin dex von Gasen bekannt (DE 39 29 340 C2). Dieser Sensor weist einen Substratkör per aus Lithiumniobat auf, in dem ein monomodiger Wellenleiter vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche er streckt, wobei eine Eintrittsstirnfläche des Wellenleiters mit Laserstrahlung beauf schlagbar ist. Der Sensor verfügt ferner zum Zwecke der TE/TM-Modenkonversion über einen auf der Oberfläche am eintrittsstirnflächenseitigen Ende angeordneten elektro-akustischen Wandler, mit dem zum Wellenleiter bezüglich dessen Längsachse kollineare akustische Oberflächenwellen erzeugbar sind. Außerdem ist bei diesem Sen sor auf der der Sensoroberfläche zugewandten Begrenzungsfläche des Wellenleiters eine aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat bestehende dünne Schicht vorgese hen. Diese protonenausgetauschte Schicht hat dabei die Gestalt eines Bandes mit ei ner Breite, die ein Mehrfaches der Breite des Wellenleiters beträgt, und mit einer Dicke, die zur Führung einer eigenständigen Mode nicht ausreicht. Die protonenaus getauschte Schicht hat hierbei die Aufgabe zu erfüllen, daß im doppelbrechenden Wellenleiter der Schwerpunkt der ordentlichen Mode in Richtung Substrat verlagert wird, so daß nur ein geringer Anteil dieser Mode außerhalb der protonenausgetausch ten Schicht und damit oberhalb der Oberfläche in einer die protonenausgetauschte Schicht hier bedeckenden gassensitiven Schicht geführt wird. Darüber hinaus bewirkt die protonenausgetauschte Schicht hierbei, daß der Schwerpunkt der außerordentli chen Mode in Richtung gassensitive Schicht verlagert wird.

Die protonenausgetauschte Schicht, die selbständig keine optische Mode zu führen vermag, verschiebt die Wellenleiterdoppelbrechung (der Protonenaustausch erhöht n_e und verkleinert n_o), so daß mit dieser Struktur eine Änderung der Konversionsfre quenz f_a bis etwa 2 MHz möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen TE/TM-Modenkonverter der eingangs genannten Art anzugeben, der eine Modifizierung der erforderlichen akustischen Konversionsfrequenz f_a in einem wesentlich breiteren Bereich zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die streifenförmige proto nenausgetauschte Schicht mindestens so tief ausgebildet ist, daß eine Führung der außerordentlichen optischen Mode im protonenausgetauschten Bereich des Wellenlei ters gewährleistet ist.

Eine derartig dick ausgebildete protonenausgetauschte Schicht erlaubt eine Verschie bung der akustischen Konversionsfrequenz f_a von etwa 1 5 bis 20 MHz.

Eine Änderung der Konversionsfrequenz f_a von bis zu 40 MHz kann erreicht werden, wenn die streifenförmige protonenausgetauschte Schicht bis in eine Tiefe des Substratkörpers reicht, die unterhalb der unteren Begrenzungsfläche des Wellenleiters liegt, wie dies eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vorsieht.

Die Aufgabe wird bei einem TE/TM-Modenkonverter der eingangs genannten Art er findungsgemäß aber auch dadurch gelöst, daß die protonenausgetauschte Schicht ei ne periodische, quer zur Wellenleiterlängsachse ausgerichtete gitterartige Struktur aufweist. Mit einer derartigen Struktur können Konversionsfrequenz-Verschiebungen auch größer als 40 MHz erzielt werden. Die Größe der Änderung wird dabei durch die gewählte Gitter-Periode bestimmt.

Zur besseren Führung der akustischen Oberflächenwellen ist es vorteilhaft, wenn die protonenausgetauschte Schicht auf beiden Seiten von als akustischer Wellenleiter dienenden titaneindiffundierten streifenförmigen Bereichen flankiert ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche 6 bis 12.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 einen TE/TM-Modenkonverter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Modenkonverter nach Fig. 1,

Fig. 3 einen TE/TM-Modenkonverter gemäß einem zweiten Ausführungsbei spiel der Erfindung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Modenkonverter nach Fig. 3 und

Fig. 5 einen TE/TM-Modenkonverter gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf einem einzigen Substratkörper ei ne Kombination zweier hintereinander geschalteter Modenkonverter an geordnet ist,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel mit einem Y-Verzweiger, in dessen einem Arm die Kombination der zwei hintereinander geschalteten Modenkonverter gemäß Fig. 6 angeordnet ist und dessen anderer Arm die eingekop pelte Mode unverändert einem zweiten optischen Ausgang zuführt,

Fig. 8 einen Modenkonverter, der bezüglich der Polarisation der eingekoppel ten Moden polarisationsunabhängig arbeitet,

Fig. 9 einen weiteren polarisationsunabhängig arbeitenden Modenkonverter,

Fig. 10 eine mögliche Ausführungsform eines TE/TM-Modensplitters,

Fig. 11a eine erste Ausführungsform eines TM-pass Polarisators,

Fig. 11b einen Querschnitt durch den TM-pass Polarisator gemäß Fig. 11a,

Fig. 12a eine zweite Ausführungsform eines TM-pass Polarisators und

Fig. 12b einen Querschnitt durch den TM-pass Polarisator gemäß Fig. 12a.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte TE/TM-Modenkonverter verfügt über einen Substratkörper 1 aus einem in X-Richtung geschnittenen Lithiumniobatkristall, entlang dessen Oberfläche 2 sich in Y-Richtung ein streifenförmiger monomodiger optischer Wellenleiter 3 von einer vorderen Stirnfläche 4 bis zu einer hinteren Stirnfläche 5 des Substratkörpers 1 erstreckt. Der optische Wellenleiter 3, der in Abhängigkeit von der optischen Wellenlänge eine Breite von 2 bis etwa 10 µm aufweist, ist durch Titan- Eindiffusion hergestellt worden und hat eine im wesentlichen halbzylindrische Gestalt, wobei in der Zeichnung seine in der Ebene der Substratkörperoberfläche 2 liegende obere Begrenzungsfläche mit 6 und seine im Substratkörper 1 befindliche untere Begrenzungsfläche mit 7 bezeichnet sind. Im vorderen, der Stirnfläche 4 zugewandten Bereich ist auf der Oberfläche 2 des Substratkörpers 1 ein interdigitaler elektro-akustischer Wandler 8 angeordnet. Der elektro-akustische Wandler 8 besteht aus in der Ebene der Oberfläche 2 plazierten fingerartigen ineinandergreifenden Kontaktstreifenpaaren, die mit einer hochfrequenten Spannung beaufschlagbar sind. Das Anlegen der hochfrequenten Spannung an die Kontaktstreifenpaare führt zur An regung von akustischen Oberflächenwellen, die sich zum optischen Wellenleiter 3 be züglich dessen Längsachse kollinear ausbreiten. Dem elektro-akustischen Wandler 8 nachgeordnet, d. h. in einem der hinteren Stirnfläche 5 zugewandten Bereich ist eine aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat bestehende streifenförmige Schicht 9 vorgesehen, die sich entlang des optischen Wellenleiters 3 erstreckt. Diese protonen ausgetauschte Schicht 9 ist hierbei nur wenig breiter als der optische Wellenleiter 3 ausgebildet und reicht von dessen oberen Begrenzungsfläche 6 bis in eine solche Tiefe, daß eine Führung einer außerordentlichen optischen Mode im protonenausge tauschten Bereich des Wellenleiters 3 gewährleistet ist. Die ordentliche Mode wird dagegen im titaneindiffundierten Bereich des Wellenleiters 3 unterhalb der protonen ausgetauschten Schicht 9 geführt. Die protonenausgetauschte Schicht 9 ist durch Diffusion, z. B. durch Eintauchen des Substratkörpers 1 in eine Schmelze aus reiner oder mit Lithiumbenzoat versetzter Benzoesäure und anschließendes kurzzeitiges, d. h. weniger als 1 Stunde andauerndes Tempern bei 350 bis 400°C hergestellt wor den. Auf beiden Seiten ist die protonenausgetauschte Schicht 9 von gleichfalls strei fenförmig ausgebildeten Bereichen flankiert, die als akustischer Wellenleiter 10 die nen und wie der optische Wellenleiter 3 durch Titaneindiffusion erzeugt sind.

Wird der optische Wellenleiter 3 an der Stirnfläche 4 mit monochromatischem Licht einer in der Zeichnung nicht dargestellten Lichtquelle, z. B. mit Laserlicht mit 0,8 µm Wellenlänge, beaufschlagt, so wird die im Wellenleiter 3 angeregte TE-Mode durch die mittels elektro-akustischen Wandlers 8 erzeugten akustischen Oberflächenwellen in eine TM-Mode umgewandelt. Die Umwandlung weist - wie bereits vorstehend er läutert - eine maximale Effektivität bei einer akustischen Frequenz f_a der Oberflä chenwellen auf, die die Gleichung

f_a = (V_a/λ_o)·|n_TM - n_TE|

erfüllt und bei 0,8 µm Wellenlänge etwa 350 MHz beträgt. Dabei bedeuten V_a die Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen, λ_o die optische Wellen länge des eingespeisten Lichtes sowie n_TM und n_TE die effektiven Brechzahlen der entsprechend geführten Moden. Mit Hilfe der protonenausgetauschten Schicht 9 ge lingt es, diese Konversionsfrequenz f_a gezielt um etwa 15 bis 20 MHz zu verschie ben.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen TE/TM-Modenkonverter, mit dem eine Konversions frequenz-Verschiebung bis etwa 40 MHz erreicht werden kann. Dieser TE/TM-Mo denkonverter unterscheidet sich vom TE/TM-Modenkonverter gemäß Fig. 1 und 2 lediglich dadurch, daß die Breite der hier mit 11 bezeichneten protonenausgetausch ten Schicht ein Mehrfaches der Breite des optischen Wellenleiters 3 beträgt und daß diese Schicht 11 bis in eine Tiefe des Substratkörpers 1 reicht, die unterhalb der un teren Begrenzungsfläche 7 des Wellenleiters 3 liegt.

Hergestellt wird die protonenausgetauschte Schicht 11, indem zunächst von der Oberfläche 2 her, wie vorstehend beschrieben, eine vergleichsweise dünne Schicht eindiffundiert, sodann aber über mehrere Stunden bei 350 bis 400°C getempert wird. Bei einem solchen TE/TM-Modenkonverter ist es möglich, die protonenausge tauschte Schicht 11 selbst auch als akustischen Wellenleiter zu nutzen, so daß in diesem Fall auf einen zusätzlichen durch Titaneindiffusion hergestellten, die proto nenausgetauschte Schicht 11 auf beiden Seiten flankierenden akustischen Wellenlei ter 10 verzichtet werden kann.

In Fig. 5 ist ein TE/TM-Modenkonverter gezeigt, bei dem die hier mit 12 bezeichnete protonenausgetauschte Schicht eine periodische, quer zur Längsachse des optischen Wellenleiters 3 ausgerichtete gitterartige Struktur aufweist. Die jeweils einzelne Gitterelemente darstellenden protonenausgetauschten Bereiche sind dabei auf die nämliche Art und Weise wie zum TE/TM-Modenkonverter nach Fig. 1 und 2 erläu tert, d. h. durch einen Diffusionsprozeß und anschließendes kurzzeitiges Tempern, hergestellt worden. Die periodische Struktur bewirkt, daß zum Wellenvektor der im Wellenleiter 3 geführten außerordentlichen optischen Mode ein zusätzlicher Wellen vektor addiert oder subtrahiert wird und somit die Konversionsfrequenz f_a eine ent sprechende Änderung erfährt. Die Größe dieser Änderung ist durch die Strukturperi ode bestimmt, die praktisch beliebig gewählt werden kann.

Die vorstehend beschriebenen TE/TM-Modenkonverter besitzen wellenlängenselektive Eigenschaften, das heißt, wenn diese Konverter mit einer bestimmten akustischen Frequenz f_a betrieben werden, funktioniert die Konversion nur für eine optische Wel lenlänge. Wird also Licht mit mehreren optischen Wellenlängen in den Wellenleiter 3 eingekoppelt, behalten alle außer eine ihre ursprüngliche Polarisation. Mit Hilfe eines Polarisators können die nicht konvertierten Wellenlängen absorbiert werden, so daß am Ausgang eines solchen mit einem Polarisator ergänzten Modenkonverters Licht einer selektiven Wellenlänge zur Verfügung steht. Mit Änderung der akustischen Fre quenz kann die selektierte Wellenlänge geändert werden, das heißt, ein derartiger Modenkonverter ist als steuerbares Wellenlängenfilter einsetzbar.

Fig. 6 zeigt ein mit Hilfe des elektro-akustischen Wandlers 8 akustisch steuerbares Filter, bestehend aus einer auf einem einzigen Substratkörper 1 angeordneten Kombi nation von zwei hintereinandergeschalteten Modenkonvertern mit unterschiedlichen Wechselwirkungsfrequenzen. Vom Konverter gemäß Fig. 3 und 4 unterscheidet sich diese Struktur dadurch, daß den interdigitalen Elektroden des elektro-akustischen Wandlers 8 zunächst ein Bereich K1 folgt, in dem dem optischen Wellenleiter 3 keine protonenausgetauschte Schicht zugeordnet ist. Diesem Bereich K1 schließt sich in Lichtausbreitungsrichtung gesehen ein Bereich K2 an, in dem der optische Wellenlei ter 3 mit einer protonenausgetauschten Schicht 11′ versehen ist, die genauso aus gebildet ist wie beim Konverter gemäß Fig. 3. Ebenso ist die protonenausgetauschte Schicht 11′ auch hier auf beiden Seiten von einem durch Titaneindiffusion hergestell ten streifenförmigen Bereich flankiert, der als akustischer Wellenleiter 10′ fungiert.

Dieser akustische Wellenleiter 10′ erstreckt sich auch über den Bereich K1. Im Un terschied zum Konverter gemäß Fig. 3 weist die Struktur darüber hinaus noch drei dem optischen Wellenleiter 3 zugeordnete Polarisatoren auf und zwar einen TE-pass Polarisator 13, der zwischen vorderer Stirnfläche 4 und elektro-akustischem Wandler 8 angeordnet ist, einen TM-pass Polarisator 14, der im Bereich K1 in Lichtausbrei tungsrichtung gesehen unmittelbar vor dem Bereich K2 mit der protonenausge tauschten Schicht 11′ plaziert ist, sowie einen weiteren TE-pass Polarisator 15, der sich zwischen dem Bereich K2 und der hinteren Stirnfläche 5 befindet. In einem der artigen Filter wird eine zweifache Modenkonversion durchgeführt und zwar zunächst im vom Bereich K1 repräsentierten ersten Konverter eine TE→TM-Konversion und im sich anschließenden vom Bereich K2 gebildeten zweiten Konverter eine TM→TE-Kon version. Entsprechend sind auch die Polarisatoren 14 und 15 so orientiert, daß sie jeweils die konvertierte Mode durchlassen, hingegen die nicht konvertierte Mode ab sorbieren. Im Vergleich mit einem einfachen Konverter zeichnet sich diese Struktur in vorteilhafter Weise durch eine reduzierte Filterbandbreite sowie stark unterdrückte Seitenbänder der Filtercharakteristik aus. Da beide Konverter mit zwei verschiedenen Frequenzen unabhängig voneinander (aber mit einem einzigen elektro-akustischen Wandler 8) gesteuert werden, ist es möglich, mit vergleichsweise großen Wechsel wirkungslängen (Länge der Bereiche K1 und K2 entlang des optischen Wellenleiters 3) zu arbeiten. Dies bringt wiederum die Vorteile mit sich, daß mit einer verhältnis mäßig niedrigen HF-Steuerleistung gearbeitet werden kann und daß schmalere Filter band breiten erreicht werden. Da die Frequenzverschiebung des Lichtes hierbei weit gehend wellenlängenunabhängig ist, bietet sich der Einsatz derartiger Filter in Kom munikationssystemen an, bei denen sich die Frequenz nicht ändern darf.

Im übrigen kann die anhand von Fig. 6 beschriebene Struktur auch als Frequenzver setzer genutzt werden. Eine solche Ausführungsform zeigt Fig. 7. Hierzu ist der op tische Wellenleiter 3 im Bereich der vorderen Stirnfläche 4 des Substratkörper 1 mit einer Y-Verzweigung 16 versehen, wobei in einem in der Zeichnung mit 3′ bezeichne ten Wellenleiterarm die Kombination der hintereinander geschalteten Modenkonverter angeordnet ist und im anderen mit 3′′ bezeichneten Wellenleiterarm die eingekoppelte Mode unverändert einem zweiten optischen Ausgang an der hinteren Stirnfläche 5 des Substratkörper 1 zugeführt ist. Die an beiden optischen Ausgängen austretenden Moden weisen gegeneinander eine feste, temperaturunabhängige Frequenzversetzung auf.

Die vorstehend beschriebenen Konverter-Strukturen sind sämtlich polarisationsab hängig, das heißt, daß sie nur für eine bestimmte Polarisation des in den optischen Wellenleiter 3 eingekoppelten Lichtes funktionieren. Für optische Kommunikations systeme, bei denen überlicherweise keine polarisationserhaltenden Lichtleitfasern be nutzt werden, ist jedoch der Einsatz polarisationsunabhängiger Komponenten wün schenswert.

Fig. 8 zeigt einen Modenkonverter, der bezüglich der Polarisation der an der vorde ren Stirnseite 4 des Substratkörpers 1 in den optischen Wellenleiter 3 eingekoppelten Moden polarisationsunabhängig arbeitet. Hierzu erstreckt sich entlang der Oberfläche 2 des Substratkörpers 1 von dessen vorderer Stirnfläche 4 zur hinteren Stirnfläche 5 und parallel zum Wellenleiter 3 ein zweiter monomodiger optischer Wellenleiter 17. Außerdem ist auf der Oberfläche 2 sowohl im eingangsstirnseitigen als auch im aus gangsstirnseitigen Bereich jeweils ein sogenannter TE/TM-Modensplitter 18 bzw. 19 plaziert. Der TE/TM-Modensplitter 18 ist dabei in Lichtausbreitungsrichtung gesehen vor den interdigitalen Elektroden des elektro-akustischen Wandlers 8 angeordnet, die hierbei beide optischen Wellenleiter 3 und 17 überdecken. Den interdigitalen Elektro den des elektro-akustischen Wandlers 8 folgt analog zum Konverter gemäß Fig. 6 zunächst ein Bereich K1, in dem weder dem optischen Wellenleiter 3 noch dem opti schen Wellenleiter 17 eine protonenausgetauschte Schicht zugeordnet ist. Erst im sich dem Bereich K1 anschließenden Bereich K2 (in Lichtausbreitungsrichtung gese hen) sind die Wellenleiter 3 und 17 mit der protonenausgetauschten Schicht 11′ ver sehen.

Entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 6 ist auch hier die protonenausge tauschte Schicht 11′ auf beiden Seiten von den durch Titaneindiffusion hergestellten streifenförmigen Bereichen flankiert, die sich zudem über den Bereich K1 erstrecken und die als akustischer Wellenleiter 10′ dienen. Abweichend von der Konverter- Struktur gemäß Fig. 6 ist hier jedem der optischen Wellenleiter 3 bzw. 17 lediglich ein Polarisator zugeordnet und zwar dem Wellenleiter 3 ein TE-pass Polarisator 20 und dem Wellenleiter 17 ein TM-pass Polarisator 21. Beide Polarisatoren 20 und 21 sind im Bereich K1 in Lichtausbreitungsrichtung gesehen unmittelbar vor dem Bereich K2 mit der protonenausgetauschten Schicht 11′ plaziert.

Die Modenkonverter-Struktur gemäß Fig. 8 funktioniert wie folgt:

Die zwei senkrecht zueinander polarisierten Moden (TE- und TM-Mode) werden an der vorderen Stirnfläche 4 gleichzeitig in den optischen Wellenleiter 3 eingekoppelt. Der TE/TM-Modensplitter 18 leitet sodann die TE-Mode zum Wellenleiter 17, wo sie mit Hilfe des elektro-akustischen Wandlers 8 im Bereich K1 zu einer TM-Mode und da nach im Bereich K2 wieder zu einer TE-Mode konvertiert wird. Der zwischen dem Be reich K2 und der hinteren Stirnfläche 5 plazierte zweite TE/TM-Modensplitter 19 leitet dann diese konvertierte TE-Mode zurück zum Wellenleiter 3, während ein gegebenen falls vorhandener kleiner umkonvertierter TM-Anteil im Wellenleiter 17 verbleibt. Die in den optischen Wellenleiter 3 an der vorderen Stirnfläche 4 eingekoppelte TM-Mode passiert hingegen den TE/TM-Modensplitter 18 derart, daß diese im Wellenleiter 3 verbleibt, wo sie mittels elektro-akustischen Wandlers 8 im Bereich K1 zunächst zu einer TE- und sodann im Bereich K2 zu einer TM-Mode konvertiert wird. Da der aus gangsseitig plazierte TE/TM-Modensplitter 19 die TM-Mode nicht umzuleiten vermag, bleibt die TM-Mode auch nach dem Passieren dieses Modensplitters 19 im Wellenlei ter 3. Ein gegebenenfalls vorhandener kleiner umkonvertierter TE-Anteil wird dagegen vom TE/TM-Modensplitter 19 in den Wellenleiter 17 abgeleitet. Auf die vorbeschrie bene Weise stehen am Ausgang des optischen Wellenleiters 3 beide Moden-Typen, d. h. sowohl die TE- als auch die TM-Mode jeweils nach einer doppelten Konversion zur Verfügung, d. h. diese Modenkonverter-Struktur funktioniert unabhängig von der Polarisation des an der vorderen Stirnfläche 4 eingekoppelten Lichtes.

Eine weitere mögliche Ausführungsform eines polarisationsunabhängigen Modenkon verters ist in Fig. 9 dargestellt. Der (einzige) Unterschied zur Ausbildungsform nach Fig. 8 besteht darin, daß hierbei die protonenausgetauschte Schicht 11 über die ge samte Länge des (doppelten) Modenkonverters, d. h. auch über den in der Zeichnung mit K1′ bezeichneten Bereich ausgebreitet ist. Die Wechselwirkungsfrequenz der hier von den Bereichen K1′ und K2 repräsentierten hintereinandergeschalteten Modenkon verter ist in diesem Fall gleich. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist darin zu sehen, daß der akustische Wellenleiter 10′ mit einer viel kleineren Breite ausgebildet sein kann, da die Führung der akustischen Oberflächenwellen nicht nur von den durch Ti taneindiffusion hergestellten streifenförmigen Bereichen gewährleistet wird, sondern auch durch die protonenausgetauschte Schicht 11 unterstützt wird. Damit ist im akustischen Wellenleiter eine größere akustische Energiedichte erreichbar, was wie derum mit dem Vorteil einhergeht, daß für die Modenkonversion viel kleinere HF- Steuerleistungen notwendig sind.

Fig. 10 zeigt eine mögliche Ausführungsversion eines TE/TM-Modensplitters im ein zelnen. Hierbei bezeichnet 3 den durch Titaneindiffusion hergestellten, sich entlang der Oberfläche 2 des Substratkörpers 1 erstreckenden optischen Wellenleiter und 22 einen Wellenleiter, der von einer protonenausgetauschten Schicht mit der nämlichen Geometrie bezüglich ihrer Breite und Tiefe gebildet wird, wie sie die protonenausge tauschte Schicht 9 beim Modenkonverter gemäß Fig. 1 und 2 aufweist und der den Wellenleiter 3 auf einem Streckenabschnitt von z. B. 1 bis 5 mm Länge überlagert und dann vom Wellenleiter 3 abzweigt. Während der Titan-Wellenleiter 3 beide Modenty pen (TE- und TM-Mode) zu führen vermag, kann der protonenausgetauschte Wellen leiter 22 aber nur die außerordentlich polarisierte Mode führen. Werden gleichzeitig sowohl die TE- als auch die TM-Mode in den Wellenleiter 3 eingekoppelt, so sind diese Moden beim Verlassen des Überlappungsbereiches der Wellenleiter 3 und 22 voneinander getrennt: Die ordentliche Mode bleibt im Wellenleiter 3, die außerordent liche Mode wird hingegen im vom Wellenleiter 3 abzweigenden Wellenleiter 22 wei tergeführt und zwar aufgrund der Tatsache, daß diese Mode auch im Überlappungs bereich nur in der protonenausgetauschten Schicht geführt wird.

Die Fig. 11a und 11b zeigen eine erste mögliche Ausführungsform eines TM-pass Polarisators, wie er in den vorstehend beschriebenen Modenkonverter-Strukturen zum Einsatz kommt, im einzelnen. 3 bezeichnet hierbei wiederum den sich in Y-Richtung entlang der Oberfläche 2 des als Substratkörper 1 dienenden und in X-Richtung ge schnittenen Lithiumniobatkristalles erstreckenden optischen Wellenleiter. Dieser durch Titaneindiffusion hergestellte Wellenleiter 3 weist eine Unterbrechung von ca. 2 bis 3 mm Länge auf. Im Bereich dieser Unterbrechung befindet sich ein protonen ausgetauschter Bereich 23, der etwa zwei optische Wellenlängen tiefer und 30 bis 40 µm breiter als der titaneindiffundierte Wellenleiter 3 ausgebildet ist, sowie ein in diesen Bereich 23 eingelagerter protonenrückgetauschter Bereich 24, der etwa die Breite und das Profil des Wellenleiters 3 hat. Der Rücktausch kann dabei so vonstat ten gehen, daß nach Ausbildung des protonenausgetauschten Gebietes, das zunächst den Bereich 24 mit umfaßt, im mit 24 bezeichneten Bereich die eindiffundierten Pro tonen wieder durch Li-Ionen, z. B. aus einer Lösung von Lithium-Benzoaten, ersetzt werden. Der Protonenaustausch bewirkt eine negative Änderung der ordentlichen Brechzahl, die aber beim Rücktausch wieder aufgehoben wird. Auf diese Weise wird der Bereich 24 von einem Bereich mit niedrigerer Brechzahl (Bereich 23) umgeben und kann die ordentliche Mode (TM-Mode für X-Schnitt LiNbO₃) weiterführen. Die außerordentliche Mode (TE-Mode) kann hingegen nicht geführt werden, da für sie die Brechzahländerung im protonenausgetauschten Bereich positiv ist, d. h. Licht dieses Modentyps wird ausgekoppelt.

Eine zweite Ausführungsform eines TM-pass Polarisators ist in den Fig. 12a und 12b dargestellt. In diesem Fall hat der titaneindiffundierte Wellenleiter 3 keine Unter brechung. Ein protonenausgetauschter Bereich 25 mit gleicher Geometrie, wie sie der Bereich 23 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 besitzt, ist hierbei direkt auf dem Wellenleiter 3 hergestellt worden. Der in der Zeichnung mit 26 bezeichnete und auf die nämliche Art und Weise wie vorstehend beschrieben durch Protonen-Rück tausch erzeugte Bereich, hat hier eine Breite und Länge, die etwa der des protonen ausgetauschten Bereiches 24 entspricht, jedoch eine Tiefe, die nur etwa die Hälfte der Tiefe des Wellenleiters 3 beträgt. Auch hier "sieht" die außerordentliche Mode (TE-Mode) im protonenausgetauschten Bereich 25 eine höhere Brechzahl und wird demzufolge aus dem Wellenleiter 3 ausgekoppelt, während für die ordentliche Mode (TM-Mode) die Brechzahl niedriger ist und diese im Wellenleiter 3 weitergeführt wird.

Selbstverständlich ist es denkbar, für die anhand der Fig. 6 bis 9 beschriebenen für verschiedene Anwendungsfälle besonders ausgebildeten Modenkonverter-Struktu ren anstelle der protonenausgetauschten Schicht mit einer Geometrie gemäß Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 auch eine protonenausgetauschte Schicht einzuset zen, wie sie anhand der Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 oder Fig. 5 be schrieben wurde.

Claims

1. TE/TM-Modenkonverter bestehend aus einem Substratkörper aus Lithiumni obat mit zumindest einem monomodigen optischen Wellenleiter, der sich zwi schen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche er streckt, wobei eine Eintrittsstirnfläche des Wellenleiters mit Licht einer Licht quelle beaufschlagbar ist, und mit einem auf der Oberfläche am eintrittsstirn flächenseitigen Ende angeordneten elektro-akustischen Wandler, mit dem zum Wellenleiter bezüglich seiner Längsachse kollineare akustische Oberflächen wellen erzeugbar sind, sowie mit einer aus protonenausgetauschtem Lithi umniobat bestehenden streifenförmigen Schicht, die den optischen Wellenlei ter an seiner oberen der Substratoberfläche zugewandten Begrenzungsfläche zumindest in einem dem elektro-akustischen Wandler nachgeordneten Bereich bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmige protonenausgetauschte Schicht (9) mindestens so tief ausgebildet ist, daß eine Führung der außerordentlichen optischen Mode im protonenausgetauschten Bereich des Wellenleiters (3) gewährleistet ist.

2. TE/TM-Modenkonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmige protonenausgetauschte Schicht (11) bis in eine Tiefe des Substratkörpers (1) reicht, die unterhalb der unteren Begrenzungsfläche (7) des Wellenleiters (3) liegt.

3. TE/TM-Modenkonverter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die protonenausgetauschte Schicht (12) eine periodische, quer zur Wellen leiterlängsachse ausgerichtete gitterartige Struktur aufweist.

4. TE/TM-Modenkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die protonenausgetauschte Schicht (9, 11, 12) auf beiden Seiten von als akustischer Wellenleiter (10) dienenden Ti-eindiffundierten streifenförmigen Bereichen flankiert ist.

5. TE/TM-Modenkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die protonenausgetauschte Schicht (9, 11, 12) durch Diffusion und an schließendes Tempern hergestellt ist.

6. TE/TM-Modenkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Durchführung einer doppelten Modenkonversion zwi schen dem Bereich (K2) mit der protonenausgetauschten Schicht (11) und dem elektro-akustischen Wandler (8) ein Bereich (K1) vorgesehen ist, in dem der optische Wellenleiter (3) mit keiner protonenausgetauschten Schicht ver sehen ist, wobei dem optischen Wellenleiter (3) zwischen eintrittsstirnflächen seitigem Ende und elektro-akustischem Wandler (8) ein erster Polarisator (13), im Bereich (K1) ohne protonenausgetauschter Schicht (11′) und dem Bereich (K2) mit protonenausgetauschter Schicht (11′) unmittelbar vorgelagert ein zweiter Polarisator (14) sowie zwischen dem Bereich (K2) mit protonenausge tauschter Schicht (11′) und dem austrittsstirnflächenseitigen Ende ein dritter Polarisator (15) zugeordnet ist.

7. TE/TM-Modenkonverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der dritte Polarisator (13, 15) als TE-pass Polarisatoren und der zweite Polarisator (14) als TM-pass Polarisator ausgebildet sind.

8. TE/TM-Modenkonverter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (3) zwischen erstem Polarisator (13) und elektro akustischem Wandler (8) eine Y-Verzweigung (16) aufweist, über die die ein gekoppelte Mode unverändert einem zweiten optischen Ausgang an der hinte ren Stirnfläche (5) des Substratkörpers (1) zugeführt ist.

9. TE/TM-Modenkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich entlang der Oberfläche (2) des Substratkörpers (1) von dessen vorde rer Stirnfläche (4) zur hinteren Stirnfläche (5) und parallel zum optischen Wel lenleiter (3) ein zweiter monomodiger optischer Wellenleiter (17) erstreckt, daß der elektro-akustische Wandler (8) beide optische Wellenleiter (3, 17) über deckt, daß zwischen dem Bereich (K2), in dem beide optische Wellenleiter (3,17) mit der protonenausgetauschten Schicht (11′) versehen sind, und dem elektro-akustischen Wandler (8) ein Bereich (K1) vorgesehen ist, in dem die optischen Wellenleiter (3, 17) mit keiner protonenausgetauschten Schicht ver sehen sind, und daß in diesem Bereich (K1) und dem Bereich (K2) mit der protonenausgetauschten Schicht (11′) jeweils unmittelbar vorgelagert dem ei nen optischen Wellenleiter (3) ein TE-pass Polarisator (20) und dem anderen optischen Wellenleiter (17) ein TM-passe Polarisator (21) zugeordnet ist und daß ferner zwischen vorderer Stirnfläche (4) des Substratkörpers (1) und elek tro-akustischem Wandler (8) ein erster die beiden optischen Wellenleiter (3, 17) verbindender TE/TM-Modensplitter (18) sowie zwischen dem Bereich (K2) mit der protonenausgetauschten Schicht (11′) und der hinteren Stirnfläche (5) des Substratkörpers (1) ein zweiter die beiden optischen Wellenleiter (3, 17) verbindender TE/TM-Modensplitter (19) plaziert ist.

10. TE/TM-Modenkonverter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die protonenausgetauschte Schicht (11) auch über den Bereich (K1′) erstreckt, in dem der TE-pass Polarisator (20) und der TM-pass Polarisator (21) plaziert sind.

11. TE/TM-Modenkonverter nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der TM-pass Polarisator (14, 21) aus einem in eine Unterbrechung des ti taneindiffundierten optischen Wellenleiters (3, 17) eingebrachten protonen ausgetauschten Bereich (23), der ca. zwei optische Wellenlängen tiefer und 30 bis 40 µm breiter als der optische Wellenleiter (3, 17) ausgebildet ist, so wie einem in diesen Bereich (23) eingelagerten protonenrückgetauschten Be reich (24) besteht, der zumindest etwa die Breite und das Profil des optischen Wellenleiters (3) hat.

12. TE/TM-Modenkonverter nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der TM-pass Polarisator (14, 21) aus einem auf dem titaneindiffundierten optischen Wellenleiter (3, 17) hergestellten protonenausgetauschten Bereich (25), der ca. zwei optische Wellenlängen tiefer und 30 bis 40 µm breiter als der optische Wellenleiter (3, 17) ausgebildet ist, sowie einem in diesen Bereich eingelagerten protonenrückgetauschten Bereich (26) besteht, dessen Breite und Länge etwa der des protonenausgetauschten Bereiches (25) entspricht und dessen Tiefe zumindest annähernd die Hälfte der Tiefe des optischen Wellenleiters (3, 17) beträgt.