Fachgebiet
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Die Erfindung betrifft einen optischen
Wellenleiterschalter und insbesondere einen polarisationsunabhängigen
optischen Wellenleiterschalter, der ein Kristallsubstrat
verwendet, das einen elektrooptischen Effekt zeigt.
Hintergrund der Erfindung
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Ein optischer Wellenleiterschalter ist geeignet zur
Anwendung für eine Übertragungsleitungsumschaltungsvorrichtung
einen externen Modulator oder dgl. in optischen
Vermittlungseinrichtungen und optischen Kommunikationsnetzen. Der optische
Wellenleiterschalter (nachstehend einfach als "optischer
Schalter" bezeichnet) verwendet einen optischen
Richtungskoppler, bestehend aus einem optischen Kopplungsabschnitt oder
einer optischen Kopplungsstufe, der bzw. die aus zwei
optischen Wellenleitern gebildet wird, die miteinander benachbart
angeordnet und auf einem Kristallsubstrat ausgebildet sind,
das einen elektrooptischen Effekt zeigt, und Lichtaufnahme-
/-abgabeabschnitten oder -stufen, die als eine Erweiterung auf
beiden Seiten des optischen Kopplungsabschnitts ausgebildet
sind und als gekrümmte optische Wellenleiter dienen.
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Bei optischen Wellenleiterschaltern ist insbesondere
ein polarisationsunabhängiger optischer Wellenleiterschalter
erwünscht, der für optische Einmodenfaserverbindungen geeignet
ist.
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Über einen solchen optischen Wellenleiterschalter wird
in Electronics Letters, Band 23, Nr. 21, Seite 1167 - 1169
(1987), von N. Kondo et al. berichtet. In diesem optischen
Schalter werden die effektiven Brechungsindexe eines optischen
Kopplungsabschnitts für zwei zueinander rechtwinklige
Polarisationskomponenten einer Lichtwelle, die sich durch die
Wellenleiter ausbreitet, so gesteuert, daß sie annähernd gleich
sind. Mit einer solchen Anordnung wird es möglich, einen
Schaltvorgang für eine Lichtwelle mit einer beliebigen
Polarisation durchzuführen.
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Fig. 1 zeigt konstruktive Merkmale des von Kondo et al.
beschriebenen optischen Wellenleiterschalters mit
geringfügigen Modifikationen. Der optische Schalter weist zwei optische
Wellenleiter 2 auf, die einen optischen Kopplungsabschnitt 2a
und Lichtaufnahme-/-abgabeabschnitte 2b bilden und die durch
thermisches Diffundieren von Ti in ein LiNbO&sub3;-Substrat 1
ausgebildet werden. Lichtwegumschaltung oder Modulation einer
Lichtwelle wird ausgeführt, indem eine Spannung angelegt wird,
um Elektroden 4, die in dem optischem Kopplungsabschnitt 2a
vorhanden sind, zu steuern. Jeder der optischen Wellenleiter 2
weist auf: einen Kopplungswellenleiter 21, der zusammen mit
einem anderen Kopplungswellenleiter 21 des anderen optischen
Wellenleiters 2 den Kopplungsabschnitt 2a bereitstellt, und
gekrümmte optische Wellenleiter 22, die als Aufnahme-
/Abgabeabschnitte 2b dienen. Die effektiven Brechungsindexe
der beiden Kopplungswellenleiter 21 sind für ordentliche und
für außerordentliche Strahlen (oder sich zueinander
rechtwinklig ausbreitende Lichtkomponenten) gleich ausgelegt. Somit
sind die vollständigen Kopplungslängen der
Kopplungswellenleiter 21, die als Länge definiert sind, die ausreicht, um
Lichtenergie in einem Kopplungswellenleiter mittels optischer
Kopplung vollständig in den anderen zu verschieben, für
ordentliche und für außerordentliche Strahlen gleich, was einen
polarisationsunabhängigen optischen Wellenleiterschalter
ergibt.
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Der effektive Brechungsindex eines optischen
Wellenleiters wird bekanntlich durch die Abmessung der Breite und der
Tiefe eines optischen Wellenleiters und die
Brechungsindexdifferenz zwischen dem optischen Wellenleiter und einem Substrat
bestimmt, und der Wert des effektiven Brechungsindexes ist bei
größeren Werten dieser Faktoren größer. Andererseits erhöht
sich die Differenz zwischen dem Brechungsindex des optischen
Wellenleiters und dem Brechungsindex des LiNbO&sub3;-Substrats im
allgemeinen mit der Erhöhung der Konzentration von Ti bei
jeder der beiden Polarisationskomponenten (ordentlicher Strahl
und außerordentlicher Strahl), die zueinander rechtwinklig
sind, während die Erhöhungstendenz der Brechungsindexdifferenz
von einer Polarisationskomponente zur anderen unterschiedlich
ist (siehe z.B. J. Appl. Phys. 49(9), September 1978, S. 4677
- 4682). Somit werden die gleichen Brechungsindexdifferenzen
für zueinander rechtwinklig polarisierte Komponenten mit einer
spezifischen Konzentration von Ti (nachstehend spezifische
Ti-Konzentration genannt) im Wellenleiter erreicht. Die
spezifische Ti-Konzentration ist als die Ti-Konzentration in
Kopplungswellenleitern definiert, für die die Differenzen zwischen
dem Brechungsindex des Wellenleiters und dem des Substrats für
ordentliche und außerordentliche Strahlen gleich sind. Die
spezifische Ti-Konzentration hängt von der Breite der
Kopplungswellenleiter und dem Spalt G dazwischen ab.
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Die spezifische Ti-Konzentration besteht in einem
Bereich, wo die Ti-Konzentration verglichen mit der
Ti-Konzentration, die in polarisationsabhängigen optischen Schaltern
erreicht wird, relativ gering ist. Nach dem zitierten Aufsatz
von M. Kondo et al. ist dies z.B. die Menge des thermisch
diffundierten Ti einer Ti-Schicht mit einer Dicke von 470 Å
unter folgenden Bedingungen: 1050ºC und 8 Stunden. Bei einem
polarisationsabhängigen optischen Schalter wird dagegen eine
Ti-Schicht mit einer Dicke im Bereich von 700 bis 900 Å bei
der gleichen Temperatur und Diffusionsdauer diffundiert, so
daß die diffundierte Ti-Menge in der zitierten Quelle um 45
bis 20% geringer ist als der entsprechende Wert bei einem
ordentlichen oder polariationsabhängigen optischen Schalter.
Bei dem bekannten polarisationsunabhängigen optischen
Schalter, der in der zitierten Quelle offenbart wird, ist also eine
Lichtwelle weniger stark in die Wellenleiter als bei dem
bekannten polarisationsabhängigen Schalter eingeschlossen,
weil die Differenz zwischen den Brechungsindexen des
Ti-diffundierten Bereichs und des LiNbO&sub3;-Substrats bei dem ersteren
kleiner ist als bei dem letzteren.
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Gemäß einer allgemeinen Charakteristik der
Lichtwellenstrahlung ist der Verlust bei gekrümmten Wellenleitern
geringer, wenn deren Einschluß in die gekrümmten Wellenleiter
stärker ist. Das heißt, durch Erhöhung des effektiven
Brechungsindexes des optischen Wellenleiters 2 kann die Krümmung
der gekrümmten Abschnitte, also der gekrümmten Lichtaufnahme-
/-abgabeabschnitte 2b der optischen Wellenleiter 2, vergrößert
werden, so daß es möglich wird, die Bauelementlängen für einen
optischen Schalter und Modulator zu verringern. Bei dem
bekannten polarisationsunabhängigen optischen Schalter gemäß
Fig. 1 muß eine spezifische Ti-Konzentration mit einer kleinen
Menge von diffundiertem Ti verwendet werden, und somit kann
die Krümmung des gekrümmten Lichtaufnahmeabschnitts 2b der
optischen Wellenleiter im Hinblick auf den Strahlungsverlust
nicht groß ausgeführt werden. Wegen dieser Beschränkung der
diffundierten Ti-Menge ist es nicht möglich, die
Bauelementlänge über einen bestimmten Wert hinaus zu verringern.
Insbesondere ist es schwierig, kleine Bauelemente zu realisieren
und dabei einen Verlust von weniger als 1 dB/cm bei einem
Lichtaufnahmeabschnitt mit einem Krümmungsradius von z.B. 40
mm beizubehalten.
Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein polarisationsunabhängiger
optischer Schalter bereitgestellt mit zwei optischen
Wellenleitern, die in einem Kristallsubstrat, das einen
elektrooptischen Effekt zeigt, ausgebildet sind, einem Richtungskoppler,
der durch Abschnitte der nahe beieinander angeordneten
optischen Wellenleiter gebildet wird, wobei Eingangs-
/Ausgangsstufen der optischen Wellenleiter, die optisch mit
dem Richtungskoppler verbunden sind, ausgebildet sind für die
Eingabe/Ausgabe von Licht zu dem Richtungskoppler, die
optischen Wellenleiter in den Eingangs-/Ausgangsstufen stärker
beabstandet sind als in dem Richtungskoppler und wobei zwei
Elektroden jeweils eine an jedem der optischen Wellenleiter in
dem Richtungskoppler vorgesehen sind und wobei der optische
Schalter die optische Kopplung zwischen den optischen
Wellenleitern als Antwort auf eine zwischen den Elektroden liegende
Spannung umschalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß die
Breite der optischen Wellenleiter in den Eingangs-
/Ausgangsstufen größer ist als die Breite der optischen
Wellenleiter in dem Richtungskoppler.
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Wenn die Breite der Kopplungswellenleiter kleiner
gewählt wird als die Breite der gekrümmten Wellenleiter, ist der
effektive Brechungsindex für den gekrümmten optischen
Wellenleiter entsprechend dem Lichtaufnahme-/-abgabeabschnitt größer
als der für den optischen Kopplungswellenleiter, der dem
Kopplungsabschnitt entspricht.
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Somit ist der Einschluß der Lichtwellen in den
optischen Wellenleitern der Lichtaufnahme-/-abgabeabschnitte
stärker als in den optischen Wellenleitern des optischen
Kopplungsabschnittes. Infolgedessen ist der Strahlungsverlust,
den die Lichtwelle in den Lichtaufnahme-/-abgabeabschnitten
erleidet, im Vergleich zu den Fällen, wo die Breite der
optischen Wellenleiter in bezug auf den optischen
Kopplungsabschnitt und die Lichtaufnahme-/-abgabeabschnitte auf den
gleichen Wert Wl festgelegt sind, geringer. Da ferner geringen
Verlust aufweisende Aufnahme-/-abgabeabschnitte auch erreicht
werden können, wenn die gekrümmten Abschnitte der optischen
Wellenleiter eine stärkere Krümmung erhalten, ist es möglich,
die Länge des Bauelements des optischen Schalters zu
verringern. Demzufolge ist es möglich, einen kleinen optischen
Koppelschalter zu realisieren, bei dem eine große Anzahl von
solchen optischen Schaltern auf einem einzigen Substrat
integriert sind. Das heißt, wenn die Länge der Lichtaufnahme-
/-abgabeabschnitte zur Verringerung des Verlustes verringert
werden kann, kann die Anzahl der optischen Schalter, die auf
einem einzelnen Substrat integriert werden können,
entsprechend erhöht werden, und die Koppelmatrixabmessungen können
vergrößert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Draufsicht des bekannten
optischen Schalters;
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Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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Fig. 3 und 4 Diagramme, die die Beziehungen zwischen
der Breite des gekrümmten Wellenleiters und dem
Strahlungsverlust darstellen; und
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Fig. 5 eine schematische Draufsicht einer zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Nachstehend wird die Erfindung mit Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Gemäß Fig. 2 weist ein optischer Wellenleiterschalter
einer ersten Ausführungsform zwei optische Wellenleiter 2 auf.
Jeder Wellenleiter 2 besteht aus einem optischem
Kopplungswellenleiter 21 für einen Richtungskoppelabschnitt 2a, der sich
entlang der x-Achse oder y-Achse eines in der z-Achse
geschnittenen LiNbO&sub3;-Substrats 1 erstreckt, wobei die z-Achse
rechtwinklig zur Papieroberfläche liegt, und gekrümmten
Wellenleitern 22 für Lichtaufnahme-/-abgabeabschnitte, die mit
den optischen Kopplungswellenleitern 2l verbunden sind.
Zunächst wird Ti auf der Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht,
um eine Schicht mit einer Dicke von 470 Å zu erhalten, und
nach Aufbringen eines Fotoresists wird Ti durch
Fotolithographie entfernt, außer an den Abschnitten der Ti-Schicht über
den Bereichen, wo die Wellenleiter 21 und 22 ausgebildet
werden sollen. Durch Erwärmen des Substrats in einer
Atmosphäre von 1050 ºC über 8 Stunden wird Ti dann in das Substrat
diffundiert, und man erhält die Wellenleiter 21 und 22. Bei
der vorliegenden Ausführungsform wurde eine Maske verwendet,
die den Wellenleitern 21 eine Breite von 9 µm und den
Wellenleitern 22 eine Breite von 11 µm verleihen sollte. Der Abstand
zwischen den beiden Wellenleitern 21 und die Länge der
Wellenleiter 21 wurde mit 8 µm bzw. 14 mm festgelegt. Auf den
Wellenleitern 21 sind zwei Steuerelektroden 4 mittels eines
Zerstäubungsverfahrens ausgebildet. Der Krümmungsradius der
Wellenleiter 22 beträgt 40 mm.
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Während eine der Elektroden eines derartig
ausgebildeten optischen Schalters in der Art eines Richtungskopplers
geerdet bleibt, dann sind, wenn die andere Elektrode geerdet
ist, die beiden Wellenleiter 21 vollständig miteinander
verbunden,
so daß Licht in einem der Wellenleiter 21 vollständig
in den anderen Wellenleiter 21 verschoben werden kann. Wenn
die andere Elektrode an eine vorgeschriebene Spannung V&sub0;
angeschlossen wird, werden die beiden Wellenleiter 21
entkoppelt, und die Lichtausbreitung in jedem Wellenleiter schreitet
fort bis zu dem gekrümmten Wellenleiter 22, der mit jedem
Wellenleiter 21 verbunden ist. Die vorgeschriebene Spannung V&sub0;
ist eine Spannung, die ausreichend groß ist, um das Licht der
TE-Mode des Wellenleiters zu entkoppeln. Das Koppeln und
Entkoppeln als Ergebnis eines Entzugs bzw. eines Anlegens der
Spannung werden durch einen elektrooptischen Effekt der
Kristalle bewirkt und basieren auf den Änderungen des
Brechungsindexes der Kristalle aufgrund des elektrischen Feldes. Der
Verlust des Lichtaufnahme-/-abgabeabschnitts 2b betrugt 0,9
dB/cm, was weniger ist als ein Verlust von 2 dB/cm, der in
einer Konstruktion mit der gleichen Breite W&sub1; über die
optischen Wellenleiter 21 und 22 erreicht worden ist.
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Fig. 3 zeigt ein Diagramm des Strahlungsverlusts und
der Breite W&sub2; der gekrümmten Wellenleiter 22 für den Fall, wo
die Abmessungen des optischen Kopplungsabschnitts identisch
mit der ersten Ausführungsform festgelegt worden sind (W&sub1; = 9
µm), wobei der Krümmungsradius des Lichtaufnahme-
/-abgabeabschnitts als Parameter dient. Die Figur zeigt
deutlich, daß der zusätzliche Verlust dadurch verringert
werden kann, daß die Breite der optischen Wellenleiter erhöht
wird.
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Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Strahlungsverlustes der
optischen Wellenleiter 22, wobei der Krümmungsradius der
Wellenleiter 22 als Parameter dient, und zwar für den Fall, wo
soder Wert W&sub1; der optischen Wellenleiter 21 6 µm und der Spalt G
zwischen den Wellenleitern 21 8 µm beträgt. In diesem Fall
waren die Bedingungen für das Erreichen der spezifischen Ti-
Konzentration durch die Diffusion folgende: eine
Ti-Schichtdicke von 630 Å und eine Atmosphäre mit feuchter Luft bei 1050
ºC über 8 Stunden. Wie aus der Figur deutlich wird, kann z.B.
gegenüber dem Verlust von 2,6 dB/cm bei einem Krümmungsradius
von 40 mm und der Breite W&sub2; der gekrümmten Wellenleiter mit
dem gleichen Wert, nämlich 6 µm, wie die Breite W&sub1; des
Kopplungsabschnitts,
ein Verlust von 0,8 dB/cm erreicht werden,
wenn man für W&sub2; 9 µm wählt.
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Dieser Wert des Strahlungsverlustes ist vergleichbar
mit dem Verlust von 0,6 - 0,8 dB/cm bei einem Element mit
Polarisationsabhängigkeit, das die gleichen Abmessungen wie
oben aufweist und das unter den gleichen Bedingungen wie oben
durch Diffusion ausgebildet worden ist, wobei eine Ti-Schicht
mit einer Dicke von etwa 850 Å, die der Ti-Diffusionsmenge
entspricht, die für einen optischen Wellenleiter erforderlich
ist, die Einmodenbedingung und den stärksten Einschluß der
Lichtwellenmode erfüllt. Somit kann versichert werden, daß der
Strahlungsverlust erfindungsgemäß auf einen minimal
erreichbaren Wert verringert wird.
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Wie bereits oben dargestellt, wird es durch die
Erfindung möglich, eine Verringerung der Länge L des Bauelements
für einen polarisationsunabhängigen optischen Schalter und
Modulator zu realisieren. Anhand der Charakteristik gemäß Fig.
4 kann z.B. zwischen den beiden Lichtaufnahme-
/-abgabeabschnitten 2b von 200 µm mit einer Änderung der
Breite der gekrümmten optischen Wellenleiter 22 von 6 µm der
herkömmlichen Konstruktion gemäß Fig. 1 auf 9 µm eine
Verringerung von 7 mm bei der Bauelementlänge mit etwa dem gleichen
Verlust auch dann realisiert werden, wenn der Krümmungsradius
von etwa 60 mm auf 40 mm verringert wird.
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Fig. 5 ist eine Draufsicht, die einen optischen
Schalter gemäß einer zweiten Ausführungsform schematisch darstellt.
Bei dieser Ausführungsform ist die Breite des optischen
Wellenleiters 22 der Lichtaufnahme-/-abgabeabschnitte 2b
gegenüber der Breite der optischen Wellenleiter 21 des optischen
Kopplungsabschnitts 2a nur in einem Abschnitt vergrößert
worden, so daß die optischen Wellenleiter 22 aus Abschnitten
mit der Breite W&sub2; und anderen Abschnitten mit der Breite W&sub1;
bestehen. Bei einer solchen Konstruktion ist es möglich, die
vollständige Kopplungslänge des optischen Kopplungsabschnitts
2a so festzulegen, daß eine beliebig polarisierte Komponente
völlig frei von jeglichem Einfluß der Form der optischen
Wellenleiter 22 des Lichtaufnahme-/-abgabeabschnitts 2b ist.
Außerdem ist es möglich, einen polarisationsunabhängigen
optischen Schalter zu erzielen, der geringen Verlust und einen
kleinen Wert L der Bauelementlänge aufweist.
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Es muß erwähnt werden, daß in der dargestellten
erfindungsgemäßen Struktur der Verlust, der aufgrund der
Lichtwellenmodenkopplung, der Lichtwellenmodenwandlung und dergleichen
in Verbindungsteilen von beiden optischen Wellenleitern mit
verschiedenen Breiten W&sub1; und W&sub2; entsteht, sich im Experiment
als äußerst gering erwiesen hat, nämlich weniger als 0,1
dB/cm.
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Ferner kann der optische Schalter mit dem dargestellten
erfindungsgemäßen Aufbau als optischer Modulator betrieben
werden, indem ein Modulationssignal an die
Steuerungselektroden angelegt wird, was bekannt ist.
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Wie oben beschrieben, ist es erfindungsgemäß möglich,
einen polarlsationsunabhängigen optischen Schalter mit
geringem Verlust und kleiner Länge des Bauelements zu erzielen,
indem die Breite der optischen Wellenleiter der Lichtaufnahme-
/-abgabeabschnitte, die aus gekrümmten optischen Wellenleitern
bestehen, größer ausgeführt wird als die Breite der optischen
Wellenleiter des optischen Kopplungsabschnitts.
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Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen mit
einem LiNbO&sub3;-Kristallsubstrat beschrieben worden sind, können
auch andere Materialien, z.B. LiTaO&sub3;, und zusammengesetzte
Halbleitermaterialien verwendet werden.