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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Beugungsgittern
und betrifft insbesondere ein solches Gitter mit elektrisch einstellbarem
Brechungsindex und elektrisch einstellbarer räumlicher Periodizität.
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Hintergrund
der Erfindung
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Periodische
Strukturen oder Gitter sind auf dem Gebiet der optischen Nachrichtenübertragung
bzw. Kommunikation aufgrund der Vielfältigkeit der Funktionen, die
sie ausüben
können,
von enormer Wichtigkeit. Beispielsweise ermöglicht die Phasenanpassungsfunktion
eines Gitters vielfältige
Koppler von zwei oder mehreren Wellen, die die Anpassungsbedingungen
erfüllen.
Gitter sind auch Elemente mit hoher Wellenlängendispersion, und dies ermöglicht ihre
Anwendung in einer Anzahl von Vorrichtungen zur Multiplextechnologie
für die
Wellenlängenteilung.
Für die
Lichtausbreitung innerhalb eines Wellenleiters, wie eine optische
Faser oder irgendein anderer Typ, können Gitter als Eingangs/Ausgangskoppler,
Wellenleiter-Kopplungselement
(-Interface), Modus-/Polarisations-Umwandler, Modus-/Polarisations-Filter,
Ablenker bzw. Deflektoren, Reflektoren, usw. dienen. Für extern
auftreffende Lichtwellen können
Gitter als optische Modulatoren oder Lichtschalter dienen.
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Bekannte
periodische Strukturen in der integrierten Optik umfassen passive
(statische) optische Gitter, bei denen das Gitter in der Form eines
periodischen Oberflächenreliefs
oder einer periodischen Brechungsindexveränderung erzeugt wird. Ein solches
Gitter ist daher festgelegt und kann folglich nicht "ausgeschaltet" werden, und sein
Beugungswirkungsgrad kann nicht geregelt werden. Es ist bekannt,
dass der Beugungswirkungsgrad der Beugung durch dynamisches Verändern des
Brechungsindexes des verwendeten Materials verändert werden kann. Um dies
zu erreichen, ist eine im Stand der Technik verwendete Lösung das
Verwenden des elektro-optischen Effekts (Kerr oder Pockels), um
den Brechungsindex elektrisch zu variieren, wobei dann die periodische
Funktion des zu verändernden
Index durch Reihen von auf der Oberfläche angeordneten oder eingebetteten
gefingerten Elektroden bestimmt wird. Ein elektrisches Potenzial
wird an eine solche Elektrodenstruktur angelegt, um dann ein elektrisch
regelbares Beugungsgitter zu erzeugen. Der Kopplungskoeffizient
zwischen einfallenden und gebeugten Moden ist proportional zu der
Amplitude der durch die Spannung an den Elektroden induzierten effektiven
Indexvariation. Daher erhöht
das Erhöhen
der angelegten Spannung V0 die Kopplung
zwischen den wechselwirkenden Moden. In diesem Sinne kann das Gitter
als einstellbar angesehen werden. Mit diesem Entwurf ist es jedoch
unmöglich,
die fundamentale Raumfrequenz des induzierten Gitters, welche durch
die Elektrodenstruktur vordefiniert ist und 2l gleicht, wobei l
die räumliche
Periode der Elektroden ist.
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US-Patent
Nr.
5,438,637 (Nilsson
et al.) zeigt eine elektrisch regelbare optische Filtervorrichtung,
bei der ein Gitter innerhalb eines elektro-optischen Materials durch
die Anwendung einer Spannung auf das in
1 (Stand der Technik) gezeigte gefingerte
Elektrodensystem induziert werden kann. Der Oberbegriff des Anspruchs
1 beruht auf diesem Dokument
US
5,438,637 . Der Effekt der angelegten Spannung kann als
eine räumlich
periodisch effektive Indexvariation angenähert werden:
wobei n
0 der
intrinsische Brechungsindex des Materials ist, und m die räumliche
Harmonische der fundamentalen Gitterperiodizität Λ = 2l. Weil der elektro-optische
Effekt klein ist, ist in den meisten Fällen nur die fundamentale Harmonische
(m = 1) von Bedeutung. Der Kopplungskoeffizient zwischen der einfallenden
und der gebeugten Mode ist proportional zur Amplitude der Brechungsindexvariation,
die durch die Spannung an den Elektroden induziert wird. Wie oben
erwähnt
erhöht
die Erhöhung
der angelegten Spannung V
0 die Kopplung zwischen
den wechselwirkenden Moden, jedoch ist es unmöglich, die fundamentale Raumfrequenz
des Gitters oder den Mittelwert der Brechungsindexverteilung zu
verändern,
was die Schlüsselidee
für die
Feineinstellung der Gitterleistungsfähigkeit ist.
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Aufgabe und
Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Beugungsgitter
bereitzustellen, bei dem sowohl der Brechungsindex als auch die
räumliche
Periodizität
elektrisch eingestellt werden können.
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Ein
bevorzugtes Ziel der Erfindung ist es, ein solches Gitter bereitzustellen,
das eine große
Flexibilität aufweist
und das leicht in verschiedene Lichtregelvorrichtungen, einschließlich Wellenleiter
und faseroptischer Anwendungen, integriert werden kann.
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Eine
bevorzugte Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gitter bereitzustellen,
das einfach und nicht teuer herzustellen ist.
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Entsprechend
stellt die vorliegende Erfindung ein elektrisch einstellbares Beugungsgitter
mit einem Brechungsindex und einer räumlichen Frequenz zur Verfügung, wobei
das Gitter umfasst:
ein Substrat;
eine elektro-optische
Struktur, die sich über
das Substrat erstreckt, wobei die elektro-optische Struktur einen Wellenleiter
mit einer Ausbreitungsachse umfasst;
eine erste und eine zweite
Elektrodenstruktur zum Erzeugen eines elektrischen Feldes dazwischen,
wobei das elektrische Feld das Beugungsgitter in dem Wellenleiter
induziert, wobei die erste und zweite Elektrodenstruktur auf gegenüberliegenden
Seiten der elektro-optischen Struktur angeordnet sind und jede sich
in einer Ebene parallel zu der Ausbreitungsachse des Wellenleiters
erstreckt, wobei die erste Elektrodenstruktur einen ersten und einen
zweiten Satz gefingert angeordneter Finger umfasst, wobei der erste
Satz Finger unter einem Potential V
0 steht
und der zweite Satz Finger unter einem Potential V
0+
steht,
wobei V
0 zum Einstellen des Brechungsindexes
des Beugungsgitters variabel ist und
zum
Schalten der räumlichen
Periodizität
des Gitters zwischen diskreten Werten variabel ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch ein elektrisch einstellbares Beugungsgitter
zum Verändern
von extern darauf einfallendem Licht zur Verfügung, wobei das Beugungsgitter
umfasst:
ein Substrat;
eine elektro-optische Struktur,
die sich über
das Substrat erstreckt;
eine erste und eine zweite Elektrodenstruktur
zum Erzeugen eines elektrischen Feldes dazwischen, wobei das elektrische
Feld das Beugungsgitter in der elektrooptischen Struktur induziert,
wobei die erste und zweite Elektrodenstruktur sich entlang übereinander
angeordneter Ebenen parallel zueinander und zu der elektro-optischen
Struktur erstrecken und auf gegenüberliegenden Seiten der elektro-optischen
Struktur angeordnet sind, wobei die erste Elektrodenstruktur einen
ersten und einen zweiten Satz von gefingert angeordneter Fingern umfasst,
wobei der erste Satz Finger unter einem Potential V
0 ist
und der zweite Satz Finger unter einem Potential V
0+
,
wobei V
0 zum Einstellen des Brechungsindexes
des Beugungsgitters variabel ist und
zum Schalten
der räumlichen
Periodizität
des Gitters zwischen diskreten Werten variabel ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann das Gitter so gebildet sein, dass es als ein Bragg-Filter wirkt.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform
kann das Gitter zum kolinearen Gegenrichtungskoppeln für eine Reflektorfunktion
verwendet werden, wobei es als ein aktiver optischer Filter für verteilte
Rückkoppel- (DFB,
distributed feedback) bzw. verteilte Braggreflektions- (DBR, distributed
bragg reflection) Laser dient. Andere Ausführungsformen beziehen sich
auf Anwendungen in Multiplexsystemen zur Wellenlängenteilung (WDM, wavelength
division multiplexing) für
faseroptische Kommunikation. Das Gitter kann alleine oder in Kombination
mit anderen elektro-optischen Komponenten zum Bilden integrierter
Strukturen eingesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden beim Lesen der folgenden
nicht einschränkenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Querschnittsansicht
eines elektrooptischen Gitters nach dem Stand der Technik, unter Verwendung
eines einseitigen gefingerten Elektrodensystems.
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2 ist eine Querschnittsansicht
eines einstellbaren elektro-optischen Beugungsgitters mit einer elektrisch
umschaltbaren Periode entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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3 ist eine perspektivische,
teilweise Querschnittsansicht eines in einem optischen Filter verwendeten
Beugungsgitters, entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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4A ist eine schematische
Draufsicht eines in einem faserinternen Filter (Inlinefilter) verwendeten Beugungsgitters
entsprechend einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung;
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4B ist eine teilweise Querschnittsansicht
des Faserfilters der 4A.
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5A ist eine schematische
Draufsicht eines in einem Wellenleitergitterfilter verwendeten Beugungsgitters
entsprechend einer anderen Ausführungsform
der Erfindung;
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5B ist eine teilweise Querschnittsansicht
des Wellenleitergitterfilters der 5A.
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6 stellt eine perspektivische,
teilweise Querschnittsansicht eines Beugungsgitters entsprechend einer
anderen Ausführungsform
dar, das in einer durch ein Gitter bewirkten Richtungskopplung von
zwei Wellenleitern verwendet wird.
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7 ist eine Querschnittseitenansicht
eines Ausgangsgitterkopplers entsprechend einer noch anderen Ausführungsform
der Erfindung.
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8A ist eine Querschnittseitenansicht
einer doppelseitigen Elektrodenstruktur, die ein schaltbares schräges Gitter
innerhalb eines elektro-optischen Films erzeugt, entsprechend einer
anderen Ausführungsform;
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8B zeigt die vereinfachte
Brechungsindexverteilung zwischen den Elektrodenstrukturen der
8A, wenn
= –V
0;
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8C zeigt die vereinfachte
Brechungsindexverteilung zwischen den Elektrodenstrukturen der
8A, wenn
= –2V
0;
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9A ist eine perspektivische
Ansicht eines optischen Schalters, der ein Bragggitter verwendet
entsprechend einer anderen Ausführungsform
der Erfindung;
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9B ist eine Querschnittseitenansicht
der Elektrodenstrukturen, die in einer ersten Variante der Ausführungsform
der 9A verwendet wird;
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9C ist eine Querschnittsseitenansicht
der Elektrodenstrukturen, die in einer zweiten Variante der Ausführungsform
der 9A verwendet wird.
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10 ist eine schematische
Darstellung des Effekts eines Beugungsgitters bezüglich extern
auftreffenden Lichts nach einem nicht der Erfindung entsprechenden
Beispiel.
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11 ist eine Serie von Schaubildern,
die die Fernfeld-Beugungsmuster
zeigt von Beugungsgittern mit einem PLZT elektro-optischen Substrat
mit doppelseitigen, gefingerten Elektrodenstrukturen.
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12 ist eine Querschnittsseitenansicht
eines weiter nicht beanspruchten Beugungsgitters mit Elektrodenstrukturen
auf den gegenüberliegenden
Seiten eines elektro-optischen Substrats, die um eine Hälfte der Periode
gegeneinander versetzt sind.
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13A ist eine Querschnittsseitenansicht
eines weiter nicht beanspruchten optischen Schalters, der eine Vielzahl
von Paaren von in 12 gezeigten
elektro-optischen Strukturen verwendet.
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13B und
13C sind ebenfalls Querschnittsansichten
von nicht beanspruchten übereinander
gestapelten optischen Schaltern in zwei verschiedenen Konfigurationen,
wobei
auf –2V
0 gesetzt ist; und
13D und
13E sind ähnliche
Ansichten, wobei
auf –V
0 gesetzt ist.
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14 ist eine Aufsicht auf
eine gebogene Elektrodenstruktur entsprechend einer noch anderen
Ausführungsform
der Erfindung.
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Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung
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Bezugnehmend
auf 2 wird eine vereinfachte
Ausführungsform
eines elektrisch einstellbaren Beugungsgitters 20 für einen
Wellenleiter 22 gezeigt. Das Gitter umfasst eine elektro-optische
Struktur 24, die sich über
ein Substrat 26 erstreckt. Die elektro-optische Struktur
weist die Eigenschaft auf, dass ihr Brechungsindex sich verändert, wenn
sie einem elektrischen Feld unterliegt. Der Wellenleiter 22 wird
in der elektrooptischen Struktur 24 gebildet, und optische
Wellen breiten sich darin entlang der Ausbreitungsrichtung 28 aus.
In der veranschaulichten Ausführungsform
ist die elektro-optische Struktur ein aus einem Material wie LiNbO3 gebildeter, elektro-optischer Stab 24,
in dem der Wellenleiter gebildet wird.
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Erste
und zweite Elektrodenstrukturen
30 und
32 sind
auf gegenüberliegenden
Seiten der elektro-optischen Struktur parallel zu der Ausbreitungsrichtung
28 bereitgestellt.
Die ersten und zweiten Elektrodenstrukturen
30 und
32 werden
verschiedenen Potentialen unterworfen, um dazwischen ein elektrisches
Feld und damit den Wellenleiter zu erzeugen. Die erste Elektrodenstruktur
30 weist
eine gefingerte Konfiguration auf, die in dieser Ausführungsform
aus zwei miteinander verzahnten Elektroden
30a und
30b besteht,
wobei jede eine Vielzahl von streifenähnlichen Fingern, die an einem
Ende miteinander verbunden sind, um jeder Elektrode
30a und
30b eine
kammähnliche
Form zu verleihen. Die Elektrode
30a ist unter dem elektrischen
Potential (V
0+
),während die
Elektrode
30b unter dem elektrischen Potential V
0 ist. Auf diese Weise werden benachbarte
Finger verschiedenen Potentialen unterworfen und erzeugen die Periodizität aufgrund
des resultierenden elektrischen Feldes.
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In
der veranschaulichten Ausführungsform
weist die zweite Elektrodenstruktur
32 eine zu der ersten Elektrodenstruktur
30 symmetrische
Konfiguration auf, wobei sie aus zwei gefingert angeordneten, kammförmigen Elektroden
32a und
32b gebildet
sind, die den Potentialen –V
0 bzw. –(V
0+
)
unterworfen sind. Die zwei Elektrodenstrukturen
30 und
32 erstrecken
sich vorzugsweise entlang übereinander
angeordneter paralleler Ebenen auf den jeweiligen Seiten der elektro-optischen
Struktur
24. Auch in dieser Ausführungsform sind die Elektrodenstrukturen
30 bzw.
32 ausgerichtet, sodass die Finger unter den Potentialen V
0 bzw. –V
0, und die Finger unter den Potentialen V
0+
bzw. –(V
0+
)
jeweils in direkter Ausrichtung miteinander und auf den jeweiligen
Seiten der Ausbreitungsrichtung
28 sind.
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Vorzugsweise
trennen erste und zweite Pufferschichten 34 bzw. 36 die
elektro-optische Struktur 24 von den Elektrodenstrukturen 30 bzw. 32,
um die Wechselwirkung des verschwindenden Ausläufers der optischen Welle in
den verlustbehafteten metallischen Oberflächen zu minimieren. Die Pufferschichten 34 und 36 sind
aus einem isolierenden Material, vorzugsweise SiO2,
gebildet.
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Wenn
die oben erläuterten
Potentiale an die Elektroden
30a,
30b,
32a und
32b angelegt
werden, wird eine elektrische Potenzialverteilung innerhalb der
elektrooptischen Struktur
24 erzeugt, die in der Form einer Fourier-Reihe
ausgedrückt
werden können:
wobei
die Ausdehnungskoeffizienten E
0 und E
m durch die Vorspannung
geregelt
werden können.
Ein solches elektrisches Feld innerhalb der elektro-optischen Struktur
24 induziert
eine Brechungsindexverteilung, die in der folgenden Form ausgedrückt werden
kann:
wobei
im Unterschied zum Fall des Stands der Technik (siehe Gleichung
1) die konstante Komponente des elektrischen Feldes die konstante
Komponente des induzierten Brechungsindexes n
0 (E) erzeugt, die sowohl durch die angelegte
Spannung V
0 als auch durch
fein
eingestellt werden kann. Auf diese Weise wird der Mittelwert des
Brechungsindexes des Gitters elektrisch einstellbar. Die Kopplungsstärke zwischen
der eintreffenden und der gebeugten Mode ist proportional zur Amplitude
der Brechungsindexvariation, die durch die Spannung an den Elektroden
induziert wird; sie kann daher vom Startwert V
0=0
und aufwärts
elektrisch geregelt werden. Die Veränderung des Brechungsindexes,
die in einer elektrooptischen Struktur mit einer effektiven Periode Λ induziert
wird, ist proportional zur elektrischen Feldstärke –∇φ(x,z) für den elektro-optischen Pockelseffekt,
und für
den elektro-optischen Kerreffekt ist sie eine quadratische Funktion
des elektrischen Feldes (∇φ(x,z))
2.
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Die
induzierte Brechungsindexverteilung hat auch einen variablen Anteil,
der in Gleichung 3 als eine Fourier-Entwicklung mit harmonischen Komponenten
n
m dargestellt ist, die durch die Vorspannung
geregelt werden
können.
Durch diese Komponente kann auch die fundamentale räumliche
Periodizität
des Gitters elektrisch eingestellt werden. Wenn Beispielsweise
=
0, sind alle ungeraden Koeffizienten (m = 1, 3, 5, ...) 0. Alle
geraden Koeffizienten (m = 2, 4, 6, ...) einschließlich des
konstanten Terms E
0 verschwinden, wenn
= –2V
0, wodurch ein Brechungsindexgitter mit der
fundamentalen Periodizität Λ = 2l generiert
wird. Sowohl die ungeraden als auch geraden Harmonischen durch das
Anlegen der Vorspannung, beispielsweise auf
= –V
0 können
eingeschaltet werden. Wie aus den obigen Beispielen ersichtlich,
kann das Gitter zwischen zwei verschiedenen, diskreten Raumfrequenzen
geschaltet werden, in Abhängigkeit
davon wie die Elektroden beaufschlagt werden.
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Wenn
ein Gitter als ein Bragg-Reflektionsfilter für eine Leitung eingesetzt wird,
kann die Spitzenreflektivität
des Gitters dadurch eingestellt werden, dass entweder die Gitterperiode
oder ihr Brechungsindex verändert
wird. Bei Verwendung einer konstanten Komponente des elektrischen
Felds zwischen den Elektroden 30a, 30b und 32a, 32b kann
eine Veränderung
in der konstanten Komponente des Brechungsindex induziert werden,
was es ermöglicht,
die Wellenlänge
in dem Filter dynamisch fein einzustellen. Das Verschieben der Spitzenreflektivität beeinflusst
auch die Transmission auf nahen Wellenlängen, so dass mittels des gleichen Effekts
auch die Lichttransmission moduliert werden kann. Alle diese Eigenschaften
des vorgeschlagenen Entwurfs bewirken, dass er als ein Baustein
für eine
Vielzahl von Vorrichtungen der integrierten Optik und für Nachrichtenübertragungssysteme
dienen kann.
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Bezugnehmend
auf
3 wird eine Ausführungsform
einer elektrisch regelbaren Filtervorrichtung auf der Grundlage
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen
Wellenleiter W, der innerhalb eines elektrooptischen Stabs S (beispielsweise
aus LiNbO
3 oder einem elektro-optischen
Polymer) gebildet ist und vorzugsweise eine Dicke von annähernd 0,5
bis 2 μm
und eine Breite von etwa 5 μm
aufweist. Die zwei Pufferschichten L1 und L2 trennen den elektro-optischen
Stab von einer doppelseitigen Elektrodenkonfiguration in der Form
von gefingerten Elektrodenstrukturen A1, A2, B1 und B2. Der optische
Wellenleiter W hat einen Brechungsindex n, der den Brechungsindex
des Stabs und der Pufferschichten etwas übersteigt. Die Vorrichtung
funktioniert derart, dass wenn die Vorspannung auf
=
0 gesetzt wird, ein Gitter mit einer Periode von § = l, wie
oben beschrieben erzeugt wird, dass selektiv Licht mit der Wellenlänge λ
1 der
geführten
Mode in eine sich vorwärts
ausbreitende Randmantelmode koppelt. Diese Randmantelmode schwächt sich
aufgrund verschiedener Verlustmechanismen schnell ab, wenn sie sich
innerhalb der Pufferschichten ausbreitet. Mit der Vorspannung
= –2V
0 wird ein Gitter der Periodizität Λ = 2l induziert,
das die Kopplung von Licht auf der Wellenlänge 2λ
1 bereitstellt.
In Abhängigkeit
davon wie die Elektroden beaufschlagt werden, kann der Filter auf
die verschiedenen diskreten Frequenzen geschaltet werden, und die
Wellenlängen
der Spitzenreflektion können unter
Verwendung der konstanten Komponente des elektrischen Feldes durch
ein Einjustieren von V
0 fein eingestellt
werden.
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Bezugnehmend
auf die 4A und 4B wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt, die für optische Fasernachrichtenübertragung
verwendet wird, nämlich
ein elektrisch schaltbares Filter für alle Fasern.
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Für diese
bestimmte Anwendung wird die vorliegende Erfindung in ebener Geometrie
ausgeführt,
d.h. dass sich sowohl die erste und zweite Elektrodenstruktur entlang
einer gleichen Ebene auf beiden Seiten der elektrooptischen Struktur
erstrecken. Eine optische Faser F wird in die gekrümmte Nut
eines Substrats SB geklebt und ihr Mantel CL wird lateral poliert,
bis der Kern C erreicht ist. Die erste und zweite Elektrodenstruktur werden
auf der Substratoberfläche
symmetrisch mit dem gleichen Abstand zur Faserachse platziert, so
dass eine Lücke
dazwischen gebildet wird. Weil eine herkömmliche optische Faser nicht
elektro-optisch aktiv ist, wird die Lücke zwischen den Fingern der
ersten und zweiten Elektrodenstruktur gefüllt mit einem elektro-optischen
Film FL, der in Berührung
mit der optischen Faser ist. Vorzugsweise weisen die Elektrodenfinger
der entsprechenden Elektrodenstrukturen eine Verschiebung ‰ in Bezug
aufeinander auf, wobei 0 ≤ ‰ < 2l. Diese Verschiebung
spielt zwei Rollen. Erstens verringert sie die Elektrodenkapazität, die ein
Minimum bei ‰ =
l/2) erreicht, wobei infolgedessen die Schaltzeit und der Energieverbrauch
verringert werden. Zweitens erlaubt diese Verschiebung, falls gewünscht, die
Erzeugung eines geneigten Brechungsgitters (es kann nur erreicht
werden, falls
≠ 0) . Das
Anwenden der Spannung in der oben beschriebenen Weise erzeugt ein
elektrisches Feld zwischen der ersten und zweiten Elektrodenstruktur
der linken bzw. rechten Seite der elektro-optischen Struktur, das
in den elektro-optischen Film FL eindringt, wodurch erfindungsgemäß darin
ein regelbares Indexgitter induziert wird. Dieses induzierte Gitter
wechselwirkt mit dem verschwindenden Feld der geführten Welle in
dem Kern. Einstellen der Vorspannung
erlaubt,
dass die Gitterperiode Λ zwischen
l und 2l verändert
werden kann, wodurch in der für
die vorgehenden Ausführungsformen
beschriebenen Weise infolgedessen auf verschiedene gefilterte Frequenzen
geschaltet wird. Indem ferner die Spannung V
0 eingestellt
wird, kann der Filter in vorteilhafter Weise zuvor in der Nähe dieser
gefilterten Frequenzen durch eine Veränderung der konstanten Komponente
des induzierten Brechungsindex voreingestellt werden. Moderne Herstellungstechnologien
im Nanobereich machen gefingerte Elektrodenstrukturen mit Submikronfingerabständen möglich (K.
Yamanouchi, T. Meguro, Y. Wagatsuma et al. "Nanometer electrode fabrication technology
using anodic oxidation resist films and application to 10 Ghz surface
acoustic wave devices",
Electronics Letters, 30, 1010 (1994); Z. Yu, S.J. Schablitsky, S.Y.
Chou, "Nanoscale
GaAs metal-semiconductormetal photodetectors fabricated using nanoimprint
lithography", Appl.
Phys. Lett., 74, 2381 (1999)), was die Ausführungsform der
4A und
4B verwendbar
macht als ein elektro-optischer einstellbarer Bragg-Faserfilter
für WDM-Telekommunikationssysteme.
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Bezugnehmend
auf die 5A und 5B wird eine zweite Ausführungsform
in ebener Geometrie gezeigt, wie sie für einen herkömmlichen
Grat-Wellenleiter W angewendet wird. Der Wellenleiter W wird vorzugsweise
durch eine wohl entwickelte Technik, wie Protonenaustausch durch
Ausheizen (APE, annealed proton exchange) auf der oberen Oberfläche eines
elektro-optischen Kristalls (wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat,
KTP usw.) gebildet. Alternativ können
von Protonen verschieden Ionen in das Substratmaterial eindiffundiert
oder durch Ionenaustausch eingebracht werden. Der APE-Wellenleiter
vergrößert den
außergewöhnlichen
Brechungsindex des Kristalls, wodurch ein Leiter für Licht,
das entlang der z-Achse polarisiert ist, gebildet wird. Für einen
in einer z-Ebene geschnittenen Kristall entspricht dies einer TM
polarisierten Mode. Wellenleiter, die mit alternativen Techniken,
wie Titan-Eindiffusion in Lithiumniobat, erzeugt werden, können sowohl
eine TM und eine TE Polarisation unterstützen. Der Wellenleiter erstreckt
sich zwischen der rechten und linken Elektrodenstruktur mit einem
gleichen Abstand von den Elektrodenfingern. Die Abstände zwischen
dem Wellenleiter W und den Elektrodenfingern A und B werden gefüllt mit
Pufferschichten, die aus einem dielektrischen Material, wie SiO2, das einen Brechungsindex niedriger als
der Brechungsindex des Wellenleiters aufweisen. Diese Pufferschichten
BL bilden die Mantelschicht des Wellenleiters und schützen eine
geführte
Welle vor den verlustbehafteten Wechselwirkungen mit den Elektroden.
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Die
ebene Architektur ermöglicht
es, jede beliebige Form einer Gitterstärke ν = n1L/λ entlang
Ihrer Länge
(x-Richtung) durch die räumliche
Modulation der Elektrodenspannung V0(x)
nach Maß anzufertigen,
wobei n1 die Brechungsindexänderung
erster Ordnung in der Fourier-Entwicklung
der Brechungsindexverteilung, λ die
Wellenlänge
im Vakuum und L die Gitterlänge
ist. Dies kann durch Verwendung einer geeignet eingestellten Spannung
oder einer stromteilenden Schaltung, wie einer Kombination von Widerständen, erreicht
werden. In vorteilhafter Weise gibt sie über einen großen Einstellbereich
vollständige
Kontrolle über
die Filtercharakteristiken bezüglich
Kanaltrennung, Seitenkeulenunterdrückung und Kopplungseffizienz.
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Bezugnehmend
auf
6 wird eine alternative
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der das Beugungsgitter in
einen Richtkoppler eingebaut ist. In dieser Ausführungsform wird ein erster
und ein zweiter Wellenleiter W1 und W2 mit entsprechenden Brechungsindizes
n
01 und n
02 innerhalb
des elektro optischen Stabs S gebildet. Wie in den vorherigen Ausführungsformen
sind beide Seiten des elektro-optischen Stabs mit vorzugsweise aus
SiO
2 hergestellten, nicht elektro-optischen
Pufferschichten bedeckt. Die erste und zweite Elektrodenstruktur
sind jeweils auf den freien Oberflächen der Pufferschichten angeordnet.
Die Elektrodenstrukturen sind hier in der Form von kammförmigen Elektroden
A
1, A
2, B
1 und B
2 ähnlich den
oben beschriebenen. Weil die Wellenleiter W
1 und
W
2 verschieden sind, haben sie bei derselben
Frequenz ω/2π verschiedene
Ausbreitungskonstanten β
1(ω)=2π/λ
1(ω) und β
2(ω)=2π/λ
2(ω). Das induzierte
Gitter führt
zu einer Kopplung zwischen den Wellenleitern W
1 und
W
2, vorausgesetzt, dass β
1(ω)–β
2(ω)=±2π/Λ. Durch Verändern der Vorspannung
kann
die Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern von einer Wellenlänge auf
eine andere umgeschaltet werden, während gleichzeitig die Kopplungsstärke durch
Variieren von V
0 geregelt werden kann. In
verschiedenen Varianten dieser Ausführungsform können die
zwei in
6 gezeigten
Wellenleiter auch nicht parallel zueinander sein, oder sie brauchen
nicht einmal gerade sein. Wenn gewünscht beispielsweise zum räumlichen
Verändern
der Wechselwirkungsstärke
zwischen den Wellenleitern, kann die Trennung zwischen ihnen entsprechend
eingestellt werden.
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Bezugnehmend
auf
7 wird noch eine
andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Indexgitter wird durch doppelseitige
Elektrodenstrukturen A und B mit Pufferschichten L1 und L2, die in
einer im wesentlichen analogen Weise zu dem was oben beschrieben
wurde angeordnet sind, in einen Wellenleiter W induziert. Wenn eine
geführte
Mode in den Gitterbereich eindringt, gibt das Indexgitter räumliche Harmonische
mit Ausbreitungskonstanten
,q(ϖ)
=
,0(ω)+2qπ/Λ (q = 0, ±1, ±2, ...).
Wenn Ordnungen q, die die Bedingungen |
,q| < 2n
aπ/λ oder |
,s| < 2n
sπ/λ erfüllen, anwesend
sind, strahlen die Harmonischen in die Luft und/oder das Substrat
ab unter einem Winkel θ
q a bzw. θ
q s, die gegeben sind
durch
wobei n
a und
n
s die Brechungsindizes von Luft und vom
Substrat, λ die
Wellenlänge
im freien Raum, n
s der Brechungsindex der
geführten
Mode und Λ die
Gitterperiode ist. Das Einstellen der Vorspannung
ermöglicht,
dass die Gitterperiode Λ zwischen
l und 2l variiert werden kann und infolge dessen die Ausgangswinkel θ
q a und θ
q s verändert werden.
Diese Ausführungsform
eines Gitterausgangskopplers kann beispielsweise für intraplane
bis interplane optische Verbindungen verwendet werden.
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Gitterkoppler
können
zum Anregen und Auskoppeln einer geführten Welle eingesetzt werden.
Jedoch wird der Ausgang in ungefähr
gleiche Hälften
für Luft
und das Substrat aufgeteilt, wie in der
7 zu sehen ist. Bezugnehmend auf die
8A,
8B und
8C wird
eine andere Ausführungsform
gezeigt, bei der unnötige Strahlung
eliminiert werden kann und die Ausgangsleistungseffizienz maximiert
wird. In dieser Ausführungsform
ist die zweite Elektrodenstruktur in einer Offsetanordnung mit der
ersten Elektrodenstruktur, so dass die entsprechenden Potentiale
V
0, –V
0 und V
0+
, –(V
0+
)
nicht vertikal ausgerichtet sind. Dieses Verschieben der ersten
und zweiten Elektrodenstruktur in Bezug zueinander um einen bestimmten
Abstand δ (0 ≤ δ < 2l) induziert innerhalb
des elektro-optischen Wellenleiters ein geneigtes Gitter.
8A zeigt eine allgemeine
Darstellung des Entwurfs und die
8B bzw.
8C zeigen jeweils wie vereinfachte
Brechungsindexverteilung für
= –V
0 bzw.
= –2V
0. Gestrichelte Linien verbinden die benachbarten
Elektroden mit der maximalen Potentialdifferenz 2V
0.
Wie ersichtlich kann für
ein elektro-optisches Material mit einem quadratischen elektro-optischen
Effekt durch das Schalten der Vorspannung von
= –2V
0 auf
= –V
0 die induzierte fundamentale Periodizität des Gitters
von l auf 2l verändert
werden. Eine vorteilhafte Eigenschaft dieser Ausführungsform
ist es, dass das Einstellen von
auf
0 das schräge
Gitter in ein gerades verdreht.
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Bezugnehmend
auf die 9A und 9B wird eine alternative
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt, in der ein Bragg-optischer Schalter durch
die koplanare Beugung von geführten
Wellen durch ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter
verwirklicht wurde. In dieser Ausführungsform wird, im Gegensatz
zu den vorigen Ausführungsformen,
die Ausbreitungsrichtung nicht senkrecht in Bezug auf die Länge der
Finger der Elektroden gesetzt. Das Gitter beugt die geführte Welle,
die die Bragg-Bedingung für
die Gitterperiode, Wellenlänge und
Einfallswinkel der geführten
Welle erfüllt.
Durch Schalten der Gitterperiode zwischen l und 2l oder durch Ausschalten
der Spannung kann das Schalten zwischen mindestens drei Zuständen erreicht
werden. Ein Schalten zwischen mehreren Zuständen kann mittels eines Kaskaden-Arrays
von Gittern mit verschiedenen Perioden oder Orientierungen realisiert
werden.
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Bezugnehmend
auf 9C kann in einer
Variante der letzten Ausführungsform
die zweite Elektrodenstruktur die Form einer einzelnen kontinuierlichen
Elektrode aufweisen, beispielsweise eine geerdete, leitfähige dünne Schicht.
Während
dies den Herstellungsprozess vereinfacht, beeinflusst diese Ersetzung
nicht die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung.
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Ein
ebenes Gitter, das durch die Elektrodenstruktur mit langgestreckten
Fingern induziert wird, erzeugt aus einer ebenen Eingangsphasenfront
eine ebene Ausgangsphasenfront. In einigen Fällen ist es jedoch wünschenswert,
aus einem kollimierten Strahl eine konvergente Ausgangswelle zu
erzeugen, wie im Falle einiger Anwendungen, die ein Fokussieren
erfordern. Durch Musterbilden auf einem Satz gekrümmter Elektrodenfinger
kann ein schräges
oder gerades Gitter mit gekrümmter
Brechungsindex-Umrandung in dem Wellenleiter induziert werden. In 14 wird beispielsweise eine
Elektrodenstruktur gezeigt, die die Form konzentrischer Ringe aufweist.
Mit solchen ringförmigen
Elektrodenstrukturen, die auf beiden Seiten der elektro-optischen Struktur
angeordnet sind, symmetrisch oder mit einer halben Periodenverschiebung
und bei Anwenden verschiedener Potentiale darauf in der oben beschriebenen
Weise, kann eine Fresnel-Zonenplatte erhalten werden mit einer Brennweite,
die einer Position in eine andere auf der optischen Achse umschaltbar
ist.
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Bezugnehmend
auf die
10 und
11A bis
11D wird ein Beispiel für ein Beugungsgitter
zum Modulieren von extern auftreffendem Licht, das nicht in den
Schutzumfang der beigefügten
Patentansprüche
fällt,
gezeigt. Eine elektrooptische Struktur S wird bereitgestellt, d.h.
dass in dieser Ausführungsform
die elektro-optische Struktur ein integraler Bestandteil des Substrats
selbst ist. Die ersten und zweiten Elektrodenstrukturen A1, A2 und
B1, B2 werden auf gegenüberliegenden
Oberflächen
des Substrats befestigt. Die gefingerten Elektroden werden aus einem
durchsichtigen leitfähigen
Material sowie Indium-Zinn-Oxid (ITO) hergestellt. Das Substrat
ist gekennzeichnet durch die Tatsache, dass sein Brechungsindex
durch die Konfiguration und Stärke des
daran angelegten elektrischen Feldes bestimmt wird. Wenn eine linear
polarisierte Lichtwelle, deren Polarisationsrichtung parallel zur
Einfallsebene ist, auf der Oberfläche unter einem Winkel θi einfällt, wird
die transmittierte Lichtwelle entsprechend der periodischen Brechungsindexverteilung
innerhalb des elektro-optischen Substrats, die durch das an die
Elektroden A1, A2 und B1, B2 angelegte elektrische Feld induziert
wird, gebeugt. Infolgedessen kann das Beugungsgitter mit der an
die gefingerten Elektroden angelegten Spannung V
0 verändert werden,
was das gebeugte Licht in verschiedene Beugungsordnungen umverteilt.
Beispielsweise kann die nullte Ordnung vollständig ausgelöscht werden (siehe
11D). Darüber hinaus
können
die geraden Ordnungen oder die ungeraden Ordnungen der Beugung selektiv
ein- oder ausgeschaltet werden, was bedeutet, dass das Gitter als
ein optischer Schalter mit einem hohen An/Aus-Verhältnis verwendet
werden kann. Die
11A bis
11D veranschaulichen die
simulierten Ergebnisse der Fernfeldbeugung unter verschiedenen Vorspannungen
für elektro-optische
Substrate von mit Lanthan-modifiziertem Blei-Zirkonat-Titanat (PLZT)
9/65/35 mit einem quadratischen elektro-optischen Effekt. Die horizontalen
Achsen werden auf beliebige Raumfrequenzen eingestellt. Dadurch
sind nur die relativen Abstände
unter den Beugungsordnungen von Bedeutung, und die linke Seite des
Beugungsmusters mit symmetrischen negativen Beugungsordnungen wird
nicht gezeigt.
11A zeigt
die Beugung ohne angelegte Spannung, die den Beitrag von den transparenten
ITO-Elektroden zeigt. Durch den Vergleich mit den
11B und
11C ist
ersichtlich, dass die ungeraden Beugungsordnungen durch Ein- und
Ausschalten der Vorspannung
fein
eingestellt werden können.
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Der
Phasenbeitrag der ITO-Elektroden bildet ein intrinsisches Gitter,
das einen Teil des einfallenden Lichts in höhere Ordnungen beugt, so wie
das aus der 11A ersichtlich
ist, wo das resultierende Beugungsmuster für doppelseitige ITO gefingerte
Elektroden mit einer Periode l = 210 μm, Breite a = 105 μm und ITO Dicke
von 0,1 μm
gezeigt wird. Für
einige Anwendungen kann es die äquivalente
Transmittanz bzw. Durchlässigkeit
(d.h. Lichtausbeute) des Schalters verringern, wenn keine Spannung
an das elektro-optische Substrat angelegt wird.
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Bezugnehmend
auf die 12 und 13A bis 13E werden verschiedene Ausführungsformen
eines Beugungsgitters für
extern auftreffendes Licht ähnlich
zu dem der 10 gezeigt,
wobei die gefingerten Elektroden einer Elektrodenstruktur um eine
halbe Periode in Bezug auf die gefingerten Elektroden der anderen
Elektrodenstruktur verschoben sind. Dieses Positionieren der Elektroden
eliminiert das intrinsische Beugen an der Elektrode für normalerweise
auftreffende Lichtwellen, weil die Phasenverzögerung an den Elektroden auf
einer Seite des Substrats durch die Phasenverzögerung an der Elektrode auf
der gegenüberliegenden
Seite kompensiert wird.
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Die
Dicke des elektro-optischen Stabs ist im wesentlichen eine Wechselwirkungslänge für die transmittierte
Lichtwelle. Wenn diese Länge
klein ist:
wobei n der Mittelwert des
Brechungsindex des Stabs, λ die
Wellenlänge
des gebeugten Lichts und Λ die
Gitterperiode ist. Viele Beugungsordnungen werden erzeugt und eine
kleine Selektivität
wird gezeigt. Dies ist das so genannte Raman-Nath Beugungsregime.
Jedoch treten in dem Bragg-Beugungsregime
nur zwei Beugungsordnungen mit hoher Winkel- und spektraler Selektivität auf, wenn
die Wechselwirkungslänge
lang ist im Vergleich mit nΛ_/(2πλ). Leider
fällt für den in
der
12 gezeigten Entwurf
das Muster des angeregten elektrischen Felds rasch mit dem Abstand
von den Elektroden ab. Das Muster ist bei einem Abstand von den
Elektroden, der gleich der Periode der Elektrodenstruktur ist, im
Wesentlichen verschwunden. Die folgende Ausführungsform in
13A zeigt eine Lösung zu diesem Nachteil; die
interaktive Wechselwirkungslänge
kann vergrößert werden,
in dem die Struktur der
12 mehrere
Male wiederholt wird. In
13B bis
13C verbinden die gestrichelten
Linien die benachbarten Elektroden mit einer maximalen Potentialdifferenz
(2V
0) dazwischen. Diese Linien können eine
Vorstellung über
die Periodizität
der Brechungsindexverteilung für
verschiedene Werte der Vorspannung
geben.
Die räumliche
Periode des induzierten Brechungsindexgitters kann leicht durch
Umschalten von
= –2V
0 auf
= –V
0 verdoppelt werden (siehe
13B und
13E).
Durch Einstellen von V
0 kann der Mittelwert
des Brechungsindex der Vorrichtung variiert werden und dadurch auch
seine Selektivität
auf die benötigte
Wellenlänge
fein eingestellt werden. Eine 9/65/35 PLZT Keramik kann ein perfektes
elektro-optisches Material für
diese Ausführungsform
sein. Die Elektroden müssen
für das
einwirkende Lichtspektrum transparent sein, und eine gemusterte
dünne ITO-Schicht
könnte
ein guter Kandidat für
sichtbares und infrarotes Licht sein.
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Selbstverständlich könnten vielzählige Veränderungen
der oben offenbarten bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt werden,
ohne vom Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Patentansprüche festgelegt
wird, abzuweichen.