DE69018660T2

DE69018660T2 - Optische Verzweigungskomponenten und Schalter mit geführten Wellen.

Info

Publication number: DE69018660T2
Application number: DE69018660T
Authority: DE
Inventors: Kaname Jinguji; Masao Kawachi; Akihiro Takagi; Norio Takato
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-02-07
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2010-02-07
Also published as: EP0382461A2; DE69018660D1; EP0382461A3; CA2009352A1; US5044715A; EP0382461B1; KR900013323A; KR930005900B1; CA2009352C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Komponenten mit geführten Wellen, die vorzugsweise in der optischen Nachrichtentechnik verwendet werden. Ein Beispiel einer solchen Anwendung ist ein optischer Umschalter mit geführten Wellen. Genauer gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf optische Verzweigungskomponenten mit geführten Wellen, bei denen die Wellenlängenabhängigkeit des Leistungskoppelverhältnisses vermindert ist. Ein optischer Schalter mit geführten Wellen kann unter Verwendung der Erfindung optische Signale in einem weiten Wellenlängenbereich mit reduzierter Wellenlängenabhängigkeit schalten.
Für die weitere Entwicklung der optischen Übertragung über Lichtwellenleiter ist die Entwicklung verschiedener optischer Schaltungskomponenten, wie optischer Verzweigungs-/Zusammenführungsglieder, optischer Multiplexer/ Demultiplexer, optischer Umschalter oder dgl. im wesentlichen zusätzlich zu der Herstellung der Glasfasern der Photodetektoren und lichtemittierenden Vorrichtungen hoher Qualität und geringer Kosten wesentlich. Vor allem sind optische Verzweigungsglieder Komponenten grundlegender Art: optische Verzweigungskomponenten mit verschiedenen Verzweigungsverhältnissen (Koppelgraden), wie 50 %, 20 % oder einem geringeren Prozentsatz des Verzweigungsverhältnisses gefordert. Insbesondere sind optische Verzweigungskomponenten geringer Wellenlängenabhänigkeit in einem breiten Wellenlängenbereich dringend gefragt.
Optische Verzweigungskomponenten werden auch Optokoppler genannt, und es gibt die nachstehende Einteilung in drei Typen:
(1) Verzweigungsglieder des groß gebauten Typs;
(2) Verzweigungsglieder des Faser-Typs;
(3) Verzweigungsglieder des Typs mit geführten Wellen.
Die Verzweigungsglieder des groß gebauten Typs sind mit einer Gruppierung aus Mikrolinsen aufgebaut, aus Prismen, Interferenzfiltern usw. und haben eine geringe Wellenlängenabhängigkeit. Obwohl die Verzweigungsglieder des groß gebauten Typs in der Praxis bis zu einem gewissen Ausmaß verwendet werden können, erfordern diese Komponenten einen hohen Zeitaufwand beim Zusammenbau und bei der Justage, und liefern einige Probleme hinsichtlich der Langzeitzuverlässigkeit, der Kosten und der Größe.
Die Verzweigungskomponenten des Fasertyps werden unter Verwendung Lichtleitfasern als Ausgangsmaterial durch Schleifen und Polieren, Schmelzen und Strecken hergestellt. Obwohl dieser Typ die Möglichkeit schafft, Verzweigungskomponenten verminderter Wellenlängenabhängigkeit herzustellen, erfordert der Herstellvorgang ein enormes Geschick und ist auch nicht zur Massenproduktion geeignet, weil es an reproduzierbaren Ergebnissen mangelt.
Im Gegensatz dazu besitzen Verzweigungskomponenten des Typs mit geführten Wellen den Vorteil, daß sie auf flachen Substraten und durch photolithographische Prozesse in großen Mengen hergestellt werden können und sind so gesehen eine vielversprechender Art einer Verzweigungskomponente, die sich reproduzieren und zu kompakten Bausteinen integrieren läßt.
Fig. 1 ist eine Aufsicht zur Erläuterung des Aufbaus eines herkömmlichen (2 × 2)- Verzweigungsgliedes mit geführten Wellen. In Fig. 1 sind zwei Lichtwellenleiter 2 und 3 auf einem flachen Substrat 1 gebildet. Ein Teil des Lichtwellenleiters 2 und ein Teil des Lichtwellenleiters 3 sind in enger Nähe zueinander angeordnet, um einen Richtkoppler 4 zu bilden. Der Richtkoppler 4 ist in einer solchen Weise aufgebaut, daß ein in einem Anschluß 5 abgeschicktes optisches Signal zur Ausgabe an zwei Anschlüssen 6 und 8 verzweigt wird. Obwohl das Leistungskoppelverhältnis des Richtkopplers 4 bei einer besonders gewünschten Wellenlänge spezifiziert werden kann, stellt die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnis ein Problem dar, wenn die Verzweigungskomponente in einem weiten Wellenlängenbereich benutzt wird.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des in Fig. 1 dargestellten Richtkopplertyps der Verzweigungskomponente mit geführten Wellen. Wenn in Fig. 2 das Koppelverhältnis auf 50 % bei 1,3 um Wellenlänge eingestellt wird, ist das Koppelverhältnis bei 1,55 um etwa 100 %. Das zeigt, daß es unmöglich ist, die Verzweigungskomponente gleichzeitig bei Wellenlängen von 1,3 um und 1,55 um zu verwenden.
Allgemein ausgedrückt wird das Leistungskoppelverhältnis C eines Richtkopplers durch folgende Gleichung angegeben:
C = sin² Ψ ...(1)
wobei Ψ von einem Zwischenraum zwischen den Wellenleitern im Koppelbereich des Richtkopplers abhängt, der hänge des Koppelbereichs, der Wellenlänge usw.. In dem Beispiel von Fig. 2 hat Ψ etwa 0 bei 1,0 um Wellenlänge, π/4 bei 1,3 um und π/2 bei 1,6 um. Im Ergebnis verändert sich C in etwa sinusförmig mit der Wellenlänge. Dieses ist der Grund, warum das Koppelverhälnis von 50 % nicht in einem weiten Wellenlängenbereich in Fig. 2 beibehalten werden kann.
Es ist eine andere Konfiguration der Verzweigungskomponente mit geführten Wellen bekannt: ein Y- Verzweigungspunkt. Obwohl die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses (d. h., das Verzweigungsverhältnis) des Y- Verzweigungstyps gering ist, hat er den grundlegenden Vorteil, daß der optische Leistungsverlust von mehr als etwa 1 dB in dem Bereich der Y- Verzweigung nicht vermieden werden kann. Darüber hinaus kann der Y- Verzweigungstyp nicht alle Funktionen oder Nutzungen des Richtkopplers übernehmen, weil der Y- Verzweigungstyp nur drei Anschlüsse hat, wohingegen der Richtkoppler vier Anschlüsse aufweist.
Die obige Beschreibung galt den Problemen in Hinsicht auf einen herkömmlichen Typ von (2 × 2)- Verzweigungskomponente mit geführten Wellen. Als nächstes werden die Probleme betreffs eines herkömmlichen Typs der (3 × 3)- Verzweigungskomponente mit geführten Wellen beschrieben.
Fig. 3 ist eine Aufsicht, die die Konfiguration eines herkömmlichen Typs der (3 × 3)- Verzweigungskomponente mit geführten Wellen exemplarisch darstellt. In Fig. 3 sind drei Lichtwellenleiter 10, 11 und 12 auf einem flachen Substrat 9 gebildet. Ein Teil eines jeden Wellenleiters ist angenähert an die anderen, um einen Richtkoppler 13 zu bilden. Der Richtkoppler 13 ist in einer solchen Weise aufgebaut, daß ein in einen Anschluß 15 abgeschicktes optisches Signal zur Ausgabe an drei Anschlüsse 17, 18 und 19 gleichmäßig verzweigt wird. Obwohl das Leistungskoppelverhältnis des Richtkopplers 13 bei einer besonders gewünschten Wellenlänge spezifiziert werden kann, stellt die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses ein Problem dar, wenn die Verzweigungskomponente über einen weiten Wellenlängenbereich verwendet wird.
Fig. 4 stellt ein Beispiel der Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des Fig. 3 gezeigten Verzweigungsgliedes mit geführten Wellen dar. Wenn in Fig. 4 die Koppelverhältnisse in der Weise eingestellt werden, daß das optische Signal gleichmäßig auf jeden einzelnen Ausgangsanschluß 17, 18 und 19 bei der Wellenlänge von 1, 3 um (d. h., Koppelverhältnisse in I&sub1;&sub5; &submin; &sub1;&sub7; = I&sub1;&sub5; &submin; &sub1;&sub9; = 0,33, I&sub1;&sub5; &submin; &sub1;&sub8; = 0,34) aufgeteilt wird, werden die Koppelverhältnisse bei 1,55 um I&sub1;&sub5; &submin; &sub1;&sub7; = I&sub1;&sub5; &submin; &sub1;&sub9; = 0,45, I&sub1;&sub5; &submin; &sub1;&sub8; = 0,10. Folglich kann die Verzweigungskomponente nicht als eine gleichmäßige Verzweigungskomponente verwendet werden, die gleichzeitig bei den Wellenlängen von 1,3 um und 1,55 um arbeitet.
Allgemein ausgedrückt, kann das Leistungskoppelverhältnis C (= I&sub1;&sub5; &submin; 17 = I&sub1;&sub5; &submin; 19) eines (3 × 3)- Richtkopplers, wobei das optische Signal in den mittleren Lichtwellenleiter (Wellenleiter 11 in Fig. 3) abgeschickt wird, durch folgende Gleichung angegeben werden.
C = (sin² Ψ) / 2 ...(1')
wobei Ψ von dem Zwischenraum zwischen den Lichtwellenleitern im Koppelbereich des Richtkopplers abhängig ist, von der Länge des Koppelbereichs, der Wellenlänge usw.. Üblicherweise steigt Ψ mit der Wellenlänge an. Dies ist der Grund, weswegen das Koppelverhältnis von 33 % (C = 33 %) nicht über einen weiten Wellenbereich in Fig. 4 beibehalten werden kann.
Obwohl die Probleme hinsichtlich einer herkömmlichen optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente anhand eines Wellenführungstyps beschrieben worden sind, gibt es bei den Verzweigungskomponenten des Fasertyps ähnliche Probleme.
Als nächstes wird ein herkömmlicher optischer Schalter beschrieben. Optische Schalter werden als bedeutsames zukünftiges Bauteil angesehen, weil sie notwendig sind, um Glasfaser- Nachrichtenleitungen unabhängig zu schalten oder um einen Ausweich- Übertragungsweg während eines Zusammenbruchs einer Nachrichtenstrecke einzurichten.
Die Konfiguration der optischen Schalter werden in zwei Klassen eingeteilt: (1) den groß gebauten Typ und (2) den Typ mit geführten Wellen. Diese Typen haben ihre jeweiligen Probleme. Der groß gebaute Typ ist unter Verwendung eines beweglichen Prismas, aus Linsen oder dgl. zusammengesetzt. Die Vorteile des groß gebauten Typs sind die, daß die Wellenabhängigkeit gering ist und daß der optische Leistungsverlust niedrig ist. Jedoch ist der groß gebaute Typ nicht zur Massenproduktion geeignet, weil die Zusammensetzung und Justageprozesse schwierig sind und darüber hinaus teuer. Diese Nachteile hindern den groß gebauten Typ an einer weiten Verbreitung.
Im Gegensatz dazu können die optischen Schalter des wellengeführten Typs als Massenprodukt hergestellt werden, weil integrierte optische Schalter dieses Typs auf der Grundlage von Wellenleitern auf Substraten unter Verwendung der Lithographie oder Mikrofabrikationstechnik benutzt werden können. Die wellengeführte Type wird in der optischen Schalttechnik als vielversprechendes Bauteil angesehen.
Fig. 5 ist eine Aufsicht, die die Konfiguration eines herkömmlichen optischen Schalters des Typs mit geführten Wellen exemplarisch darstellt. In Fig. 5 ist jeder der beiden 3- dB Optokoppler 21 und 22 auf einem Substrat 20 mit zwei Richtkopplern gebildet, die jeweils durch zwei Lichtwellenleiter 23 und 24 Seite an Seite in enger Nähe zueinander angeordnet sind. Das Koppelverhältnis eines jeden 3- dB- Optokopplers 21 und 22 ist auf 50 % (d. h., eine Hälfte der Gesamtkoppellänge) bei der Wellenlänge des optischen Signals spezifiziert. Die optische Weglänge der beiden Wellenleiter 23 und 24, die die beiden 3- dB- Koppler 21 und 22 verbinden, sind für den Fall auf den gleichen Wert gesetzt, daß die Phasenschieber 25 und 26 in der Mitte der 3- dB- Koppler nicht in Funktion sind.
Unter dieser Bedingung wird ein von einem Anschluß 27 abgeschicktes optisches Signal an einem Ausgangsanschluß 30 emittiert, und nicht von Ausgangsanschluß 29. Im Gegenteil, das optische Signal wird auf den Ausgangsanschluß 29 geschaltet, wenn wenigsten einer der phasenschieber 25 oder 26 in Betrieb ist, um so eine optische Weglängendifferenz von etwa ½ Wellenlängen (d. h., eine optische Phase von 180º oder π im Bogenmaß) zwischen den Lichtwellenleitern 23 und 24 zu erzeugen.
Auf diese Weise arbeitet die Vorrichtung als optischer Schalter. Der optische Schalter des Typs mit geführten Wellen wird auch optischer Schalter des Mach- Zehnder- Typs genannt, und kann unter Verwendung eines simplen Phasenschiebers eine Umschaltfunktion ausführen. Aus diesem Grund werden verschiedene Wellenleiter aus verschiedenen Materialien einschließlich Glaswellenleitern zum Aufbau optischen Schalters vom Mach- Zehnder- Inferometertyp verwendet. Diese herkömmlichen optischen Schalter mit geführten Wellen stellen folgende Probleme dar.
Fig. 6 zeigt einen Satz von Kennlinienkurven, die die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses zwischen dem Eingangsanschluß 27 und dem Ausgangsanschluß 30 des optischen Schalters angeben, der ausgelegt und aufgebaut ist, um bei einer Wellenlänge von 1,3 um verwendet zu werden. Kurve (a) zeigt Koppelkennlinien, wobei die Phasenschieber 25 und 26 im AUS- Zustand sind, Kurve (b) zeigt Koppelkennlinien, wobei einer der beiden Phasenschieber 25 oder 26 im EIN- Zustand ist, und Kurve (c) als Bezug die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnis von betreffenden 3- dB- Optokopplern zeigt, die den optischen Umschalter bilden.
Wenn einer der Phasenschieber 25 oder 26 im EIN- Zustand ist (Kurve (b)), wird das Koppelverhältnis I&sub2;&sub7; &submin; &sub3;&sub0; ungefähr 0 (unter 5 %) in einem beachtlich weiten Wellenlängenbereich von etwa 1,3 um ± 2 um. Somit wird das optische Signal durch den Pfad (27 29) mit geringer Wellenlängenabhängigkeit übertragen.
Wenn im Gegensatz dazu die Phasenschieber 25 und 26 in ihrem AUS- Zustand sind (Kurve a), wird das Koppelverhältnis I&sub2;&sub7; &submin; &sub3;&sub0; über 90 % auf einen engen Bereich von 1,3 ul ± 0,1 um begrenzt. Außerhalb dieses Bereichs, bei einer Wellenlänge von beispielsweise 1,55 um, erreicht das Koppelverhältnis nur etwa 50 %. Das bedeutet, daß die Umschaltung nicht sauber ausgeführt werden kann, und in diesem Falle treten große Probleme auf.
Die große Wellenlängenabhängigkeit der herkömmlichen optischen Schalter des Typs mit geführten Wellen, wie in Fig. 5 dargestellt, ergibt sich hauptsächlich aus dem folgenden: die 3- dB- Optokoppler (die Richtkoppler) zeigen eine Wellenlängenabhängigkeit, wie durch die Kurve (c) in Fig. 6 dargestellt; wenn das Koppelverhältnis mit 50 % bei der Wellenlänge von 1,3 um gewählt wird, wie durch die Kurve (c) dargestellt, steigt es weit über 50 % mit dem Anwachsen der Wellenlänge, und folglich können die 3- dB- Koppler ihre Aufgabe nicht erfüllen.
Die optischen Signale, deren Wellenlänge 1,3 um und 1,55 um betragen, werden oft gleichzeitig in optischen Schaltern übertragen, die zur Umschaltung von Glasfaser- Nachrichtenleitungen verwendet werden. Da diese optischen Schalter mit einer großen Wellenlängenabhängigkeit behaftet sind, stellen sie ein großes Problem bei der praktischen Anwendung dar.
Soweit ist das sich aus der großen Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses ergebende Problem in Hinsicht auf herkömmliche optische Verzweigungskomponenten und optische Schalter beschrieben worden, indem die optischen Signale, deren weitestgehend verwendete Wellenlängen von 1,3 um und 1,55 um, erläutert wurden. In der Realität jedoch ist die Wellenlängenabhängigkeit bei der Wellenlänge von 1,65 um ebenfalls ein großes Problem, weil die Wellenlänge von 1,65 um als Monitorstrahl im OTDR (Optical Time Domaine Reflectometer) verwendet wird, um den Zustand der Übertragungsleitung auf der Grundlage der zurückgestrahlten Kurvenform des ausgesandten Monitorstrahls zu überprüfen. Auf diese Weise werden nicht nur optische Signale der Wellenlänge von 1,3 um und 1,55 um gleichzeitig durch die optischen Schalter übertragen, sondern es kann auch das Monitorsignal der Wellenlänge von 1,65 um durch diese optischen Schalter übertragen werden.
Eine optische Komponente mit Wellenführung, ähnlich der in Fig. 5 dargestellten, ist in dem Dokument US- 3 589 794 offenbart. Diese Komponente unterscheidet sich von dem Mach- Zehnder- Interferometer darin, daß die Längen optischen Wege sich voneinander unterscheiden. Dies führt zu einer zusätzlichen Phasenverschiebung zwischen den Lichtstrahlen in den zwei Wellenleitern, und auf diese Weise wird der Arbeitsbereich eines Phasenschiebers, der in einem der Wellenleiter vorgesehen ist, verschoben.
Diese Komponente leidet unter den gleichen Nachteilen wie diejenige, die in Fig. 5 dargestellt ist. Das Koppelverhältnis zeigt eine unerwünschte Wellenlängenabhängigkeit.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Komponente mit Wellenführung zu schaffen, die eine geringe Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses unter den Wellenleitern aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene optische Komponente gelöst. Die Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gerichtet. Ein optischer Schalter mit Wellenführung7 der zwei optische Komponenten nach der Erfindung enthält, ist in Anspruch 9 angegeben.
Die optische Verzweigungskomponente der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich wesentlich von einer herkömmlichen optischen Verzweigungskomponente des Richtkopplertyps, und zwar dadurch, daß zwei Richtkoppler in einer solchen Weise miteinander verbunden werden, daß eine Phasendifferenz von θ aufkommt, die der Differenz ΔL der optische Weglänge entspricht, so daß auf diese Weise die Wellenlängenabhängigkeit des Richtkopplers herabgesetzt wird.
Der Unterschied zwischen der vorliegenden Erfindung und einem herkömmlichen Mach- Zehnter- Interfermometer wird nun detailliert beschrieben, weil die optische Verzweigungskomponenten der vorliegenden Erfindung äußerlich selbst wie ein Mach- Zehnder- Interferometer aussieht.
In einem herkömmlich Mach- Zehnter- Interferometer ist ein Richtkoppler vorgesehen, der das Interferometer bildet, so daß das Koppelverhältnis des Kopplers einen Wert von 50 % annimmt. Es ist auch bekannt, daß ein Mach- Zehnder- Interferometer mit ein paar Richtkopplern unter folgenden Bedingungen wie ein optischer Schalter arbeitet: zwei Lichtwellenleiter, die zwei Richtkoppler verbinden, sind mit einer gleichen optischen Weglänge eingerichtet (d. h., die Differenz ΔL ist 0); eine effektive optische Weglänge eines von zwei Lichtwellenleitern wird reziprok um eine halbe Wellenlänge durch den elektrooptischen oder thermo- optischen Effekt verändert.
Des weiteren ist es bekannt, daß das Mach- Zehnder- Interferometer, welches zwei Richtkoppler enthält, deren Koppelverhältnis bei einer bestimmten Wellenlänge 50 % beträgt, und zwei die beiden Richtkoppler verbindende Lichtwellenleiter, wobei jeder im wesentlichen eine unterschiedliche Länge aufweist und als optischer Multiplexer/ Demultiplexer im optischen Freguenzmultiplexbetrieb arbeitet (ein Multiplexer/ Demultiplexer zum hochverdichteten Wellenlängen- Multiplexbetrieb). Ein Mach- Zehnder- Interferometer beispielsweise, welches Lichtwellenleiter verwendet, die aus Siliziumglas oder dgl. hergestellt und so ausgelegt sind, daß die optische Weglängendifferenz ΔL etwa 10 mm beträgt kann die zweikanaligen optischen Signale multiplexen oder demultiplexen, wobei die beiden Signale um 10 GHz voneinander getrennt sind (was einer Trennung von 0,1 Nanometer in der Wellenlänge entspricht).
Soweit sind Konstruktionsbeispiele herkömmlicher Mach-Zehnder- Interferometer beschrieben. Wie zuvor erwähnt, sind herkömmliche Mach- Zehnder- Interferometer ausgelegt, um optische Schaltfunktionen oder Multiplex/ Demultiplex- Funktionen ausführen zu können. Die Konzeption der vorliegenden Erfindung, die in keiner Weiser durch die herkömmliche Technik nahegelegt ist, besteht darin, eine optische Verzweigungskomponente zu schaffen, die die Wellenlängenabhängigkeit in einem weiten Wellenlängenbereich herabsetzt. Zur Herabsetzung der Wellenlängenabhängigkeit der optischen Verzweigungskomponente über einen großen Wellenlängenbereich muß jedes der beiden das Mach- Zehnder- Interferometer der vorliegenden Erfindung bildenden Richtkoppler besonderen Bedingungen entsprechen, die die vorliegende Erfindung auferlegt: die Bedingungen in Hinsicht auf die effektive optische Weglängendifferenz und die Wellenlängenabhängigkeit eines jeden Richtkopplers. Das herkömmliche Mach- Zehnder- Interferometer kann nicht ohne Abwandlungen verwendet werden. Die vorliegende Erfindung gründet auf einer vollständig neuen Konzeption und auf Experimenten, so daß mit den Anordnungen der Mach- Zehnder- Interferometer, deren Anwendung nach herkömmlicher Art auf das Gebiet der optischen Schalter oder der optischen Multiplexer/ Demultiplexer beschränkt war, nun auch auf optische Verzweigungskomponenten angewandt werden kann, wobei die optischen Komponenten in einem gewünschten weiten Wellenlängenbereich arbeiten können, wodurch die obigen Aufgaben gelöst werden.
Fig. 7 eine Aufsicht, die eine grundlegende Konfiguration der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 7 sind Lichtwellenleiter 32 und 33 auf einem flachen Substrat 31 angeordnet. Zwei Richtkoppler 34 und 35 sind durch Plazierung der Lichtwellenleiter 32 und 33 Seite an Seite in enger Nähe an zwei Stellen aufgebaut. Ein Ende des Lichtwellenleiters 32 ist ein Eingangsanschluß 36, an dem ein optisches Signal Pin gestartet wird, und das andere Ende des Wellenleiters 32 ist ein Hauptausgangsanschluß 38, von dem ein optisches Hauptsignal Pmain abgegeben wird. In ähnlicher Weise ist ein Ende des Lichtwellenleiters 33 ein Eingabeanschluß 37, und das andere Ende des Lichtwellenleiters 33 ist ein Nebenausgangsanschluß 39, von dem ein optisches Nebensignal Psub abgegeben wird.
Die optischen Weglängen der Lichtwellenleiter 32 und 33 zwischen den Richtkopplern 34 und 35 sind von einander um einen kleinen Betrag ΔL verschieden. Die optische Weglängendifferenz ΔL des Mach- Zehnder- Interferometertyps erzeugt eine Phasendifferenz θ zwischen den beiden Richtkopplern 34 und 35, und die Phasendifferenz wird angegeben durch
θ = 2 π × n ΔL/λ ... (2)
wobei n der Brechungsindex des Lichtwellenleiters und λ die Wellenlänge ist. Das Leistungskoppelverhältnis CMZ der gesamten Verzweigungskomponente des Mach- Zehnder- Interferometertyps wird angegeben durch die folgende Gleichung:
CMZ = sin² (2 Ψ) × (1 + cos θ) / 2 ... (3)
wobei Ψ die Variable in der Gleichung (1) ist, die das Koppelverhältnis C (= sin² Ψ) eines jeden Richtkopplers ist.
Wie aus der Gleichung (3) hervorgeht, basiert die vorliegende Erfindung aut dem Prinzip, daß die Wellenlängenabhängigkeit vom sin² (2Ψ)- Term durch den Term der Wellenlängenabhängigkeit des Ausdrucks (1 + cosθ) / 2 verschwindet, d. h., durch die Wellenlängenabhängigkeit der Phasendifferenz θ in Gleichung (2). Um ein gewünschtes Koppelverhältnis von geringer Wellenlängenabhängigkeit in einem spezifizierten Wellenlängenbereich durch Aufheben der Wellenlängenabhängigkeit des sin² (2Ψ)- Ausdrucks durch denjenigen von (1 + cosθ) / 2 zu erreichen, ist es erforderlich, die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses C eines jeden Richtkopplers 34 und 35 zu bestimmen und unter Berücksichtigung der Gleichung (3) die Differenz ΔL passend festzulegen.
Ein Konstruktionsprinzip zur Erzeugung der optischen Verzweigungskomponente nach der vorliegenden Erfindung, welche geringere Wellenlängenabhängigkeit im Koppelverhältnis in dem Wellenlängenbereich von λ&sub1; bis λ&sub2; aufweist ist die folgende: zuerst wird jeder Richtkoppler so ausgelegt daß das Koppelverhältnis monoton in dem Wellenlängenbereich anwächst; zweitens wird der Wert (n × ΔL) zwischen den Richtkopplern, d. h., die Differenz zwischen der effektiven optischen Weglänge zwischen den beiden Kopplern, vorzugsweise auf den Wert Λ&sub0; spezifiziert, der geringfügig kürzer als die kürzeste Λ&sub1; in diesem Bereich ist. Unter einer derartigen Bedingung nimmt bei der Wellenlänge von λ = λ&sub0; in Gleichung (2) θ den Wert 2π an, und so wird der Wert aus dem Ausdruck (1 + cosθ) / 2 der Maximalwert 1. Auf diese Weise ist das Koppelverhältnis der gesamten optischen Verzweigungskomponente demjenigen der beiden miteinander verbundenen Richtkoppler gleich. Wenn die Wellenlänge λ den Wert λ&sub1; übersteigt, fällt der Ausdruck (1 + cosθ) / 2, wodurch das Anwachsen der Steigung von dem Ausdruck sin² (2Ψ) ausgeschlossen wird. Wie weit der Ausschließeinfluß zu längeren Wellenbereichen ausdehnbar ist, um so die längste Wellenlänge λ&sub2; im Wellenlängenbereich auszudehnen, hängt von den Aufbaueinzelheiten eines jeden Richtkopplers ab.
Soweit ist die grundlegende Konfiguration der optischen (2 × 2)- Verzweigungskomponente nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es versteht sich, daß diese Beschreibung auch für den Fall einer optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente gilt.
Die Erfindung kann in optischen Schaltern mit geführten Wellen verwendet werden, die eine geringe Wellenlängenabhängigkeit in einem gewünschten Wellenlängenbereich aufweisen.
Zu diesem Zweck wird ein optischer Schalter folgendermaßen angeordnet: zuerst werden zwei den optischen Schalter bildende 3- dB- Optokoppler in Form des Mach- Zehnder- Interferometers angeordnet; zweitens wird die optische Wellenlängendifferenzen des Mach- Zehnder- Interferometers geringfügig kürzer als die kürzeste Wellenlänge (ungefähr 1 um in Wellenlängenbereich festgelegt. Genauer gesagt, hat jeder einzelne 3- dB- Optokoppler zwei Richtkoppler, die durch zwei Lichtwellenleiter miteinander verbunden sind, die mit der optischen Weglängendifferenz von etwa 1 um vorgesehen sind; und zwei auf diese Weise aufgebaute 3- dB- Optokoppler werden durch mit Phasenschiebern versehenen Wellenleitern miteinander verbunden. Auf diese Weise ist der gesamte optische Schalter aufgebaut.
Genauer gesagt hat der optische Schalter mit Wellenführung zwei Lichtwellenleiter, ein primäres und ein sekundäres 3- dB- Optokoppelglied, das durch eine optische Komponente mit geführten Wellen nach Anspruch 2 gebildet ist, und einen optischen Phasenschieber, wobei sowohl das primäre als auch das sekundäre 3- dB- Optokopplerglied die beiden Optokoppler an verschiedenen Stellen koppeln, wobei die optische Phasenverschiebung auf den Lichtwellenleitern zwischen den primären und sekundären 3- dB- Optokoppelngliedern plaziert ist, um so die optische Weglänge der Lichtwellenleiter fein justieren zu können, wobei sowohl das primäre als auch das sekundäre 3- dB- Optokoppelglied zwei Richtkoppler hat, von denen jeder von etwa zwei Lichtwellenleitern an verschiedenen Stellen zusammengesetzt ist; wobei die effektive optische Weglänge eines der Lichtwellenleiter sich von dem anderen Lichtwellenleiter zwischen den beiden Richtkopplern unterscheidet, und wobei die Differenz der effektiven optischen Weglänge durch weniger als die kürzeste Wellenlänge in dem vorbestimmten Wellenlängen-Betriebsbereich festgelegt ist, und das Koppelverhältnis jedes der beiden Richtkoppler zum monotonen Anstieg gemäß der Wellenlänge in dem Wellenlängen- Betriebsbereich bestimmt wird; und wobei die Lichtwellenleiter längere optische Weglängen im primären 3- dB- Optokoppelglied haben, und die Lichtwellenleiter mit längerer optischer Weglänge im sekundären 3- dB- Optokoppelglied unterschiedliche Wellenleiter sind.
Darüber hinaus sind die beiden Lichtwellenleiter auf einem Substrat angeordnet oder aus Glasfasern hergestellt.
Ausßerdem sind die Koppelverhältnisse der beiden Richtkoppler von einander unterschiedlich eingestellt.
Vorzugsweise umfaßt der Wellenlängen- Betriebsbereich einen Bereich von 1,3 um bis 1,65 um, wobei die optische Weglängendifferenz in dem 3- dB- Optokoppler durch ungefähr 1 um festgelegt werden kann und die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des 3- dB- Optokopplers im Wellenlängenbereich von 1,3 um bis 1,65 um herabgesetzt werden kann.
Die Lichtwellenleiter sind Glas- Lichtwellenleiter, und die optischen Phasenschieber sind aus thermo- optischen Phasenschiebern zusammengesetzt, die aus Dünnfilm- Heizelementen auf dem Glas- Lichtwellenleiter bestehen.
Dieser optische Schalter kann zur Umschaltung in einem breiten Wellenlängenbereich unter Verbesserung der großen Wellenlängenabhängigkeit des 3- dB- Optokopplers in dem herkömmlichen Mach- Zehnder- Optoschalters verwendet werden. Genauer gesagt, verwendet der optische Schalter die optischen Verzweigungskomponenten großer Wellenlänge, wie oben beschrieben, als 3- dB- Optokoppler, die eine 50 %- Aufteilung in einem großen Wellenlängenbereich erreichen, wodurch auf diese Weise ein Umschalten in einem weiten Wellenlängenbereich ausführbar ist. Die Konstruktion und Arbeitsweise des optischen Schalters wird nachstehend beschrieben.
Es wird angenommen, daß die Längen der Koppelbereiche der Richtkoppler, die den 3- dB- Optokoppler bilden (Mach- Zehnder- Interferometerschaltung), L&sub1; und L&sub2; sind, und daß die optische Längendif ferenz der Wellenleiter, die die Richtkoppler verbinden, ΔL ist. Wenn ΔL = 0,0 um ist, werden die Kennlinien des Koppelverhältnisses der 3- dB- Optokoppler die gleichen wie jene eines Richtkopplers, dessen Koppelbereichslänge (L&sub1; + L&sub2;) ist, und das Koppelverhältnis wächst monoton von 0 % auf 100 %, wie auch die Wellenlänge A ansteigt, und wie aus der Kurve (c) Fig. 6 ersichtlich. Dies bedeutet keine Verbesserung.
Der vorliegende optische Schalter hat im Gegenteil die optische Weglängendifferenz von etwa 1 um zwischen den Optokopplern in jedem 3- dB- Richtkoppler, der in der gleichen Weise arbeitet wie die zuvor beschriebene optische Verzweigungskomponente. Die Arbeitsweise des optischen Schalters ist die folgende:
Wenn die Wellenlänge λ etwa λ&sub0; beträgt, dann ist die optische Längendifferenz der Wellenlänge des optischen Signals gleich. Also wird das Gesamtkoppelverhältnis des 3- dB- Optokopplers (Mach- Zehnder- Interferometertyp) dem des Richtkopplers gleich, dessen Koppelbereichslänge = (L&sub1; + L&sub2;) ist. Dies gründet auf dem Prinzip der optischen Interferenz, daß die optische Wellenlängendifferenz des Mach- Zehnder- Interferometers, die der Wellenlänge multipliziert mit einer ganzen Zahl gleich ist, nicht von der optischen Längendifferenz von 0 unterschieden werden kann.
Da die Wellenlänge des optischen Signals λ&sub0; übersteigt und 1,3 um oder 1,55 um erreicht, trennt sich die optische Weglängendifferenz allmählich von der Wellenlänge, die mit der ganzen Zahl multipliziert ist (hier: x1) und nimmt einen Wert der Wellenlänge an, der mit einem Bruch multipliziert ist. unter einer solchen Bedingung tritt eine signifikante Phasendifferenz auf, d. h., eine Phasendifferenz, die sich von der 2π, multipliziert mit einer ganzen Zahl, unterscheidet, tritt zwischen den beiden Richtkopplern auf, die die 3- dB- Optokoppler in Form des Mach- Zehnder- Interferometers bilden. Auf Grund dieser Phasenverschiebung divergiert die äquivalente Koppellänge des Gesamt- 3- dB- Optokopplers von der einfachen Gesamtsumme aus L&sub1; und L&sub2; und fällt allmählich ab. In diesem Fall kann das Koppelverhältnis des 3- dB- Optokopplers bei etwa 50 % im gewünschten Wellenlängenbereich beibehalten werden, beispielsweise in dem Bereich von 1,3 bis 1,65 um, solange die optische Weglängendifferenz und die Koppellängen L&sub1; und L&sub2; der betroffenen Richtkoppler genau spezifiziert sind, so daß das Anwachsen des Koppelverhältnisses des einfachen Richtkopplers (dessen Koppellänge {L&sub1; + L&sub2;} beträgt), was sich aus dem Anstieg der Wellenlänge ergibt, der durch Verminderung der äquivalenten Koppellänge, die sich aus der Phasenverschiebung ergibt, unterbunden werden kann. Auf diese Weise macht der optische Schalter, der aus der Zusammensetzung des Mach- Zehnder- Interferometers des 3- dB- Optokopplertyps gebildet ist, es möglich, gleichzeitig mehrere optische Signale verschiedener Wellenlänge in einem gewünschten Wellenlängenbereich zu betreiben.
Fig. 1 ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration einer herkömmlichen optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen zeigt;
Fig. 2 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der herkömmlichen optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen zeigt;
Fig. 3 ist eine Aufsicht, die ein Konfiguration der herkömmlichen optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente mit geführten Wellen zeigt;
Fig. 4 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der herkömmlichen optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponenten mit geführten Wellen zeigt;
Fig. 5 ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration eines herkömmlichen optischen Schalters mit geführten Wellen zeigt;
Fig. 6 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des herkömmlichen optischen Schalters mit geführten Wellen zeigt;
Fig. 7 ist eine Aufsicht, die die grundlegende Konfiguration einer optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8A ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8B ist eine Querschnittsansicht längs der Linie A - A' in Fig. 8A;
Fig. 8C ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B - B' in Fig. 8A;
Fig. 8 D ist ein Querschnittsansicht entlang der Linie C - C' in Fig. 8A;
Fig. 9 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen des ersten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 10 ist ein Graph, der die Bedeutung des richtigen Einstellens der effektiven optischen Weglängendifferenz (n × ΔL) im ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
Fig. 11 ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 12 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 13 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 14 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 15 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 16 ist ein Graph, der die Bedeutung der richtigen Einstellung der effektiven optischen Weglängendifferenz (n × ΔL) im fünften Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 17 ist ein Aufsicht, die ein Konfiguration der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 18 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 19 ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration einer Vierfach- Verzweigungskomponente nach dem siebenten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 20 ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration einer optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen in einer Anordnung gemäß einer achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 21 ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration einer optischer Verzweigungskomponente mit geführten Wellen (Komponente des Typs mit variablem Koppelverhältnis) nach dem neunten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 21B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie A - A' in Fig. 21A;
Figuren 22A und 22B sind Graphen, die jeweils die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungstypen mit geführten Wellen nach dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;
Figuren 23A und 23B sind Ansichten, die jeweils eine Konfiguration einer optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen (Verlängerung zur Fasertyp- Komponente) nach einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 24 ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration der optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach einem elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 24B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A - A' in Fig. 24A;
Fig. 24C ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B - B' in Fig. 24A;
Fig. 24 D ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C - C' in Fig. 24A;
Fig. 25 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen des elften Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 26 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach dem elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 27 ist ein Graph., der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach dem dreizehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 28A ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration des optischen Schalters mit geführten Wellen nach dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 28B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A - A' in Fig. 28A;
Fig. 28C ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B - B' in Fig. 28A;
Fig. 28D ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C - C' in Fig. 28A;
Fig. 29A ist ein Graph., der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des 3- dB- Optokopplers mit geführten Wellen zeigt, der den optischen Schalter gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 29 B ist eine Ansicht, die den 3- dB- Optokoppler veranschaulicht;
Fig 30 ist ein Graph., der Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des optischen Schalters gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 31A ist ein Graph., der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des 3- dB- Optokopplers mit geführten Wellen zeigt, die den optischen Schalter nach dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 31B ist eine Ansicht, die den 3- dB- Optokoppler veranschaulicht;
Fig. 32 ist ein Graph., der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des optischen Schalters nach dem fünfzehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt und
Figuren 33A bis 33D sind Ansichten, mit denen eine mögliche Konfiguration einer jeden Abwandlung der optischen Schalter nach der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird.
Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Ausführungsbeispiele 1 - 10 sind Beispiele von optischen (2 × 2)- Verzweigungskomponenten mit geführten Wellen, die Ausführungsbeispiele 11 - 13 sind Beispiele optischer (3 × 3)- Verzweigungskomponenten mit geführten Wellen, und die Ausführungsbeispiele 14 und 15 sind Beispiele optischer Schalter mit geführten Wellen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, die Einzelmoden- Wellenleiter auf Silika- Basis verwenden, die als Lichtwellenleiter auf einem Siliziumsubstrat gebildet sind. Die Einzelmoden- Wellenleiter auf Silika- Basis werden gut mit den optischen Einzelmoden- Fasern verbunden, wodurch praktische optische Verzweigungskomponenten mit Wellenführung geschaffen werden. Die Wellenleiter der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf Wellenleiter auf Silika- Basis beschränkt.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1

Figuren 8A - 8D sind Auf sichten, vergrößerte Querschnittsansichten längst der Linien A - A', B - B' bzw. C - C' einer optischen Verzweigungskomponente mit geführten Wellen nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Verzweigungskomponente ist so ausgelegt, daß deren Koppelverhältnis 50 % ± 10 % in einem Wellenlängenbereich von 1,25 um (= λ&sub1;) bis 1,6 um (= λ&sub2;) ist.
Ein Substrat 40 ist ein Siliziumsubstrat und Lichtwellenleiter 41 und 42 sind solche auf Silika- Basis, die auf dem Siliziumsubstrat 40 unter Verwendung eines Glasmaterials auf Silika- Basis gebildet sind. Die Lichtwellenleiter 41 und 42 sind einander an zwei Stellen auf dem Substrat angenähert, und bilden auf dieser Weise Richtkoppler 43 und 44.
Die Lichtwellenleiter 41 und 42 sind aus SiO&sub2;- TiO&sub2; basierenden Glaskernen zusammengesetzt, von denen jeder einen Querschnitt von etwa 8 um × 8 um aufweist, und sind eingebettet in eine Plattierungsschicht 55 von etwa 50 um Stärke aus Glas auf SiO&sub2;- Basis. Die Mach- Zehnder- Interferometerschaltung ist zusammengesetzt durch lineare Musterungen und Eogenmusterungen, deren Kurvenradius 50 mm beträgt. Die Lichtwellenleiter 41 und 42 auf Silika- Basis können gebildet werden mittels der bekannten Zusammensetzungen der Glasfilm- Auftragungstechnik und Mikrofabrikationstechnik: die Glasfilm- Auftragungstechnik verwendet flammenhydrolisierte Reaktionen auf Silizium- Tetrachlorid- Basis und die Mikrofabrikationstechnik verwendet reaktives Ionenätzen.
Bei jeder Koppelzone der Richtkoppler 43 und 44 sind die beiden Lichtwellenleiter um 4 um von einander getrennt und sind über eine Länge von 0,3 mm parallel angeordnet.
Die Eingangsanschlüsse 46 und 47 sind um 0,250 mm von einander getrennt und die Ausgangsanschlüsse 48 und 49 sind ebenfalls 0,250 mm voneinander beabstandet. Die Wellenleiterlängen der betreffenden Lichtwellenleiter 41 und 42 zwischen den beiden Richtkopplern 43 und 44 sind L und L + ΔL, und die effektive optische Weglängendifferenz (n × ΔL) wird auf 1,15 um eingestellt. Hier nimmt ΔL einen Wert von 0,79 um, weil der Brechungsindex n des Lichtwellenleiters auf Silika- Basis etwa 1,45 ist. ΔL kann genau auf den Photolithographischen Masken- Muster- Schritt durch Verwendung einer geringen Differenz in den Längen des gewundenen Wellenleiters und des geraden Wellenleiters zwischen den beiden Richtkopplern 43 und 44 in Fig. 8B eingestellt werden.
Fig. 9 ist ein Graph., der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente dieses Ausführungsbeispiels veranschaulicht: Kurve (a) zeigt die Koppelverhältnis- Kennlinie eines jeden Richtkopplers 43 oder 44, der die Verzweigungskomponente bildet; Kurve (b) zeigt die Koppelverhältnis- Kennlinien der optischen Verzweigungskomponente des Mach- Zehnder- Interferometertyps gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem (n × ΔL) = 1,15 um ist; Kurve (c) zeigt die Koppelverhältnis- Kennlinien, wobei (n × ΔL) = 0,0 um, d. h., wenn CMZ = sin²(2Ψ) der Gleichung (3) genügt.
In den Kurven (a) und (c) wächst das Koppelverhältnis monoton mit dem Anstieg der Wellenlänge an. In Kurve (b) variiert andererseits das Koppelverhältnis bescheiden mit einer Spitze bei etwa bei 1,4 um und wird beibehalten bei 50 % ± 10 % in einem Wellenlängenabschnitt von λ&sub1; = 1,25 um bis λ&sub2; = 1,6 um. Dies liegt am monotonen Anstieg des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente dieses Ausführungsbeispiels (vgl. Kurve (c)) und ist begrenzt durch den Effekt des passenden Einstellwertes (n × ΔL). Mit anderen Worten, der Wert CMZ in Gleichung (3) ist begrenzt durch den Ausdruck (1 + cos θ) / 2, der Wert θ, von dem durch (n × ΔL) in Gleichung (2) der Wert θ bestimmt wird. Wenn λ&sub0; = n × ΔL, wird θ = 2π × λ&sub0;/λ aus der Gleichung (2) gewonnen. Wenn folglich die Wellenlänge λ = λ&sub0; (= n × ΔL) ist, ist θ = 2π befriedigend und folglich ist CMZ = sin²(2Ψ) aus Gleichung (3) gewonnen.
Als Ergebnis stimmen die Kurven (b) und (c) miteinander an diesem Punkt (λ = λ&sub0; = 1,15 um) in Fig. 9 überein. Wenn λ über λ&sub0; anwächst, fängt der Ausdruck (1 + cos θ) / 2 an, von Eins an abzufallen, und funktioniert so als Grenze des Anstiegs des Ausdrucks sin²(2Ψ). Dieses legt nah, daß vorzugsweise λ&sub0; (= 1,15 um) leicht unter die kürzeste Wellenlänge λ&sub1; (= 1,25 um) in dem Wellenlängenbereich gesetzt wird.
Nach dem Ausführungsbeispiel ist die optische Weglängendifferrenz gemäß der Phasendifferenz θ = 2π λ&sub0;/λ in den zwei Richtkopplern auf diese Weise vorgesehen, wobei die Koppelverhältnisse, die monoton auf 100 % aufsteigen, und auf diese Weise das Gesamtsystem einschließlich der zwei Richtkoppler mit einer durch (n × ΔL) erzeugten Asymmetrie enthalten. In der Folge unterbindet dies das Koppelverhältnis der optischen Verzweigungskomponente davor, 100 % zu erreichen, und auf diese Weise tritt das maximale Koppelverhältnis in etwa der Mitte des gewünschten Wellenlängenbereichs von λ&sub1; bis λ&sub2; auf.
In identischer Weise muß das Koppelverhältnis des Richtkopplers selbst (Kurve a) zum Anstieg in monotoner Weise bestimmt werden, um so das monotone Anwachsen des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente ansteigen zu lassen (Kurve c).
Fig. 10 ist ein Graph, der die Bedeutung der passenden Einstellung der effektiven optischen Wellenlängendifferenz (n × ΔL) in diesem Ausführungsbeispiel veranschaulicht. In Fig. 10 sind die Maximalwerte CMZmax und die Minimalwerte CMZmin des Koppelverhältnisses CMZ, die durch theoretische Berechnung gewonnen wurden, als Funktionen der effektiven optischen Weglängendifferenz in dem Wellenlängenbereich von 1,25 um bis 1,6 um ausgedruckt. Aus Fig. 10 ist leicht einzusehen, daß die Wellenlängenabhängigkeit nur dann herabgesetzt werden kann, wenn die effektive optische Wellenlängendifferenz etwa 1,15 um beträgt, bei der CMZmax und CMZmin sich einem gewünschten Koppelverhältnis von 50 % nähert. Wenn die effektive optische Wellenlängendifferenz etwa 1,5 um übersteigt, dann erreicht CMZmin im allgemeinen 0 und die Differenz aus dem CMZmax steigt an. Auf diese Weise zeigt das optische Interferometer Wellenlängeneigenschaften, die denen eine optischen Filters vergleichbar sind, das Licht verschiedener Wellenlängen von einander trennt. Dies ist zu Zwecken der vorliegenden Erfindung nicht geeignet. Auf der anderen Seite ist die Wellenlängenabhängigkeit des Richtkopplers selbst groß, der das optische Interferometer bildet, wenn die effektive optische Wellenlängendifferenz 0 wird, was ebenfalls ungeeignet ist. Auf diese Weise ist ein hoher Grad an Genauigkeit besser als eine submikronische Ordnung durch Einstellen von (n × ΔL) und von ΔL. Dies jedoch kann leicht mit der gängigen Photolithographie erreicht werden.
Die optische Verzweigungskomponente dieses Ausführungsbeispiels ist kompakt, die Größen sind 25 mm Länge, 2,5 mm Breite, und 40 Komponenten können gleichzeitig auf einem 3- Inch- Si- Scheibensubstrat untergebracht werden.
Der optische Leistungsverlust der optischen Verzweigungskomponente dieses Ausführungsbeispiel ist sehr gering, etwa 0,2 dB. Der Gesamtleistungsverlust der optischen Verzweigungskomponente einschließlich dem Verbindungsverlust zwischen der Komponente und der Einzelmoden- Glasfaser, die mit dem Eingang und Ausgangsanschlüssen verbunden ist, beträgt etwa, 0,5 dB, was für die praktische Verwendung befriedigend ist. Dies ist ein herausragendes Merkmal der Verzweigungskomponente im Gegensatz zu einer herkömmlichen Verzweigungskomponente des Y- Typs, wobei der Leistungsverlust einschließlich der Faserverbindungsverluste nicht größer als 1,5 dB ist. Dies liegt an der optischen Verzweigungskomponente nach der vorliegenden Erfindung, die keinen einzelnen Punkt, wie einen Y- Verzweigungspunkt enthält, und von daher ist die Komponente lediglich mit sanften Mustern ähnlich denen eines Richtkopplers aufgebaut.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2

Fig. 11 ist eine Aufsicht auf die optische Verzweigungskomponente des zweiten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung, deren Koppelverhältnis 20 % ± 5 % in einem Wellenlängenbereich von λ&sub1; = 1,25 um bis λ&sub2; = 1,75 um beträgt. Die Konfiguration der optischen Verzweigungskomponente ist im wesentlichen der des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 8A gleich. Die vorige unterscheidet sich von letzterer darin, daß Eingangsanschlüsse 46 und 47 und Ausgangsanschlüsse 48 und 49 symmetrisch in Hinsicht auf die horizontale Mittellinie der Komponente angeordnet sind (obwohl es möglich ist, diese Anschlüsse in einer gleichen Weise wie jene in Fig. 8A anzuordnen). Die Koppelbereiche des Richtkoppler 43 und 44 haben eine schwächere Kopplung als jene des ersten Ausführungsbeispiels: die Trennung zwischen den beiden Wellenleitern beträgt 4 um, und die Länge und die Koppelzone (Austauschlänge) beträgt 0,1 mm. Der Wert von (n × ΔL) wird auf 1,15 um wie im ersten Ausführungsbeispiel vorgegeben. Die Länge der Komponente des zweiten Ausführungsbeispiels beträgt 20 mm.
In Fig. 12 zeigt die Kurve (b) die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente des zweiten Ausführungsbeispiels. Zum Zwecke des Vergleichs sind die Wellenlängenkennlinien der einzelnen Richtkopplern durch die Kurve (a) und Wellenlängenkennlinie der zwei Richtkoppler, die miteinander verbunden sind (d. h., n × ΔL = 0,0 um) sind durch Kurve (c) dargestellt. In den Kurven (a) und (c) steigen die Koppelverhältnisse mit der Wellenlänge an. Im Gegensatz dazu erstreckt sich in Kurve (b) der Wellenlängenbereich, in dem das Koppelverhältnis mit 20 % ± 5 % beibehalten wird, von 1,25 um bis 1,75 um, mit einer Spitze etwa bei 1,50 um.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 3

Kurve (b) zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente nach dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung: das Koppelverhältnis der selben ist ausgelegt und so hergestellt, daß dieses innerhalb 4 % ± 1 % in dem Wellenlängenbereich von λ&sub1; = 1,25 um bis λ&sub2; = 1,6 um beibehalten wird. Zur Erleichterung des Vergleichs ist die Wellenlängenabhängigkeit des einzelnen Richtkopplers in Kurve (a) dargestellt, und die Wellenlängenabhängigkeit der zwei Richtkoppler, die direkt miteinander verbunden sind (n × ΔL = 0,0 um) ist in Kurve (c) dargestellt. Obwohl die Konfiguration des Ausführungsbeispiels im wesentlichen mit dem zweiten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, ist die Trennung zwischen den beiden Wellenleitern im Koppelbereich eines jeden Kopplers auf 5 um aufgeweitet, um so eine schwächere Kopplung als im zweiten Ausführungsbeispiel zu erreichen. Der Wert (n × ΔL) ist auf 1,05 um gesetzt.
In den vorangegangenen Ausführungsbeispielen sind die strukturellen Parameter der Koppelzone der Richtkoppler beschrieben. Diese Parameter können in geeigneter Weise in Anbetracht verschiedener Besonderheiten der Herstellprozesse modifiziert werden, weil ein Richtkoppler gegenüber seinem Aufbau sehr empfindlich ist. Der richtige Punkt ist der, daß jeder Richtkoppler, der das Mach- Zehnder- Interferometer bildet, so ausgelegt und hergestellt sein sollte, daß es die Wellenlängenkennlinie ähnlich denen, wie sie in den Kurven (a) in Fig. 9, 12 und 13 dargestellt sind, zeigen.
Angemerkt sei, daß trotz der Ausführungsbeispiele der Lichtwellenleiter 42, die länger als die Lichtwellenleiter 41 durch ΔL zwischen den beiden Richtkopplern sind, die entgegengesetzte Einstellung ebenfalls möglich ist: die Lichtwellenleiter 41 können um ΔL länger als die Lichtwellenleiter 42 gemacht werden. Diese erreichen die selben Verzweigungskennlinien.
In den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist das Koppelverhältnis des Richtkopplers, der die Verzweigungskomponente bildet, die monoton in dem Wellenlängenbereich einschließlich des Bereich von 1,3 um bis 1,55 um ansteigt, mittels n × ΔL herabgesetzt (= λ&sub0;), der um etwa 1,1 um gewählt ist. Dies liegt an dem Richtkoppler, der den obigen Bedingungen genügt und der leicht zu entwerfen und herzustellen ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Beispiele beschränkt. Die wesentliche Sache ist die, daß die Wellenlängenabhängigkeiten der ersten und zweiten Ausdrücke der Gleichung (3) in dem gewünschten Wellenlängenbereich aufgehoben werden müssen. Von daher sei angemerkt daß andere Bedingungen ebenfalls möglich sind.
Obwohl der obige Wellenlängenbereich, einschließlich dem Bereich von 1,3 um bis 1,55 um, der wichtigste in dem Bereich Glasfaser- Nachrichtenübertragung ist, können doch optische Verzweigungskomponenten in dem optischen Sensor- Anwendungsgebiet verwendet werden, die auch in dem Wellenlängenbereich einschließlich des sichtbaren Bereichs arbeiten.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen haben die beiden Richtkoppler 43 und 44 die gleichen Koppelverhältniskennlinien. Die vorliegende Erfindung jedoch ist nicht darauf beschränkt die Koppelverhältnisse der beiden Richtkoppler sind nicht notwendigerweise gleich; sie können unterschiedlich sein. In diesem Falle ist das Leistungskoppelverhältnis CMZ der gesamten optischen Verzweigungskomponente des Interf erometertyps = darstellbar durch die folgende Gleichung:
CMZ = sin²(Ψ&sub1; + Ψ&sub2;) × (1 + cos θ)/2 + sin(Ψ&sub1; - Ψ&sub2;) × (1 - cos θ) / 2 ... (4)
wobei Ψ&sub1; und Ψ&sub2; Parameter sind, die die Koppelkennlinien der beiden Richtkoppler darstellen. Die Koppelverhältnisse der beiden Koppler sind festgelegt durch sin² Ψ&sub1; und sin² Ψ&sub2;.
Der erste Ausdruck in der Gleichung (4) ist dem der Gleichung (3) gleich, wobei die Wellenlängenabhängigkeit herabgesetzt werden kann unter Anwendung der oben beschriebenen Prinzipien. In der Gleichung (4) ist des weiteren die Justage der Wellenlängenabhängigkeit möglich, in dem der zweite Ausdruck der selben verwendet wird, wenn Ψ&sub1; nicht gleich Ψ&sub2; ist. Das nächste Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel, bei dem Ψ&sub1; nicht gleich Ψ&sub2; ist.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 4

Fig. 14 ist ein charakteristischer Graph., der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der Verzweigungskomponente zeigt, die als die in den Figuren 7 und 11 Richtkoppler 43 und 44 dargestellten beiden Richtkoppler verwendet, deren Kennlinien von einander abweichen. In Fig. 14 zeigt die Kurve (a) Kennlinien eines ersten Richtkopplers 43, und Kurve (b) zeigt Koppelkennlinien eines zweiten Richtkopplers 44, dessen Kopplungsgrad zweimal so groß ist wie jene des Richtkopplers 43. Kurve (c) zeigt die Koppelkennlinien der gesamten optischen Mach- Zehnder- Verzweigungskomponente, wenn der Wert (n × ΔL) zwischen den Richtkopplern 43 und 44 auf 1 um gebracht ist. Kurve (d) zeigt die Koppelkennlinie der gesamten optischen Mach- Zehnder- Verzweigungskomponente, wobei der Wert (n × ΔL) zwischen den Richtkopplern 43 und 44 auf 0,0 um gebracht ist. Die Kurve (c) zeigt, daß die optische Verzweigungskomponente des Ausführungsbeispiels das Koppelverhältnis von kleiner Wellenlängenabhängigkeit von 50 % ± 5 % in dem weiten Wellenlängenbereich von 1,2 um bis 1,7 um beibehält.
Es ist auffallend, daß der Austausch der Kennlinien der beiden Richtkoppler 43 und 44 eine optische Verzweigungskomponente mit den gleichen Koppelkennlinien erzeugen kann.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 5

Fig. 15 ist ein charakteristischer Graph., der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen Verzweigungskomponente zeigt, die als Richtkoppler 43 und 44 die in den Figuren 7 und 11 dargestellten beiden Richtkoppler mit Kennlinien verwendet, die voneinander verschieden sind. Die optische Verzweigungskomponente hat etwa 20 % Koppelverhältnis in einem weiten Wellenlängenbereich. In Fig. 15 zeigt Kurve (a) Koppelkennlinien eines ersten Richtkopplers 43, und Kurve (b) zeigt Koppelkennlinien eines zweiten Richtkopplers 44, dessen Kopplungsgrad doppelt so groß ist wie der des ersten Richtkopplers 43. Kurve (c) zeigt die Gesamt- Koppelkennlinie der gesamten optischen Mach- Zehnder- Verzweigungskomponente, wobei die effektive optische Wellenlängendifferenz (n × ΔL) zwischen den Richtkopplern 43 und 44 mit 9,0 um spezifiziert ist. Die Kurve (c) zeigt, daß die optische Verzweigungskomponente des Ausführungsbeispiels ein Koppelverhältnis von geringer Wellenlängenabhängigkeit von 20 % ± 2 % innerhalb eines weiten Wellenlängenbereichs von 1,2 pun bis 1,7 um beibehält. In auffallender Weise zeigt Kurve (d) die Koppelkennlinien, wenn (n × ΔL) willkürlich auf 0 um festgelegt wird. Das Koppelverhältnis der Kurve (d) zeigt eine ausgeprägte Wellenlängenabhängigkeit.
Fig. 16 ist ein Graph., der die Bedeutung der passenden Einstellungen der effektiven optischen Wellenlängendifferenz (n × ΔL) in diesem Ausführungsbeispiel veranschlaulicht. In Fig. 16 sind die Maximalwerte CMZmax und die Minimalwerte CMZmin des Koppelverhältnisses CMZ, das durch theoretische Berechnung gewonnen wurde, als Funktion der effektiven optischen Wellenlängendifferenz in dem Wellenlängenbereich von 1,2 um bis 1,6 um dargestellt. Aus Fig. 16 läßt sich leicht verstehen, daß die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses in dem obigen Wellenlängenbereich nur dann herabgesetzt werden kann, wenn die effektive optische Wellenlängendifferenz etwa 0,9 um beträgt, bei der sowohl CMZmax als auch CMZmin ein gewünschtes Koppelverhältnis von etwa 20 % erreichen.
Die besseren flachen Kopplekennlinien können erzielt werden, wenn die Koppelkennlinien der beiden Richtkoppler 43 und 44 sich unterscheiden, und nicht gleich sind. Dies geht aus dem Vergleich des ersten Ausführungsbeispiels (9) mit dem vierten Ausführungsbeispiel (Fig. 14) hervor, oder aus dem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 12) mit dem fünften Ausführungsbeispiel (Fig. 15).
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele haben mit optischen Verzweigungskomponenten zu tun, bei denen zwei Richtkoppler mit einander durch zwei Lichtwellenleiter verbunden sind, deren Längen sich um ΔL unterscheiden. Die Konzeption der vorliegenden Erfindung jedoch kann auf eine optische Verzweigungskomponente ausgedehnt werden, bei der ein Richtkoppler in Hintereinanderordnung durch Lichtwellenleiter verbunden wird und die optischen Wellenlängendifferenzen ΔLi (i = 1, 2,... ,N - 1) zwischen jeweils benachbarten Richtkopplern vorgesehen sind. Das nächste Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel, bei dem N = 3 ist.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 6

Fig. 17 ist eine Ansicht, die die Konfiguration der 50 % koppelnden optischen Verzweigungskomponente gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung zeigt, bei dem eine Anzahl N = 3 von Richtkopplern verwendet wird, und Fig. 18 ist ein Graph, der die Koppelkennlinien der Verzweigungskomponente darstellt. In Fig. 17 sind zwei Lichtwellenleiter 41 und 42 an drei Stellen einander angenähert, um so drei Richtkoppler 50, 51 und 52 zu bilden. In diesem Ausführungsbeispiel haben die drei Richtkoppler jeweils die selbe Kennlinie wie jene der Richtkoppler 43 und 44 des ersten Ausführungsbeispiels. Zwischen den Richtkopplern 50 und 51 ist die effektive optische Weglänge des Lichtwellenleiters 42 länger festgelegt als die der Wellenlänge 41 durch n × ΔL = 0,88 um, wohingegen zwischen den Richtkopplern 51 und 52 die effektive optische Weglänge des Lichtwellenleiters 41 um 0,88 um länger eingestellt ist als jene des Lichtwellenleiters 42. Man hat herausgefunden, daß in Fig. 18 die optische Verzweigungskomponente ein Koppelverhältnis von 50 % ± 10 5 in dem Wellenlängenbereich von 1,2 um bis 1,65 um hat. Insbesondere kann eine flache Koppelkennlinie von 50 % ± 5% in dem Wellenlängenbereich von 1,25 um bis 1,6 um erzielt werden.
Die Anzahl N von Richtkopplern kann erhöht werden. Darüber hinaus können drei Richtkoppler verwendet werden, deren Kennlinien sich unterscheiden, um die optische Verzweigungskomponente zu bilden.
Obwohl alle vorigen Ausführungsbeispiele mit zwei Verzweigungskomponenten zu tun haben, kann die vorliegende Erfindung auch auf Vielfach- Verzweigungskomponenten angewandt werden. Als nächsten Ausführungsbeispiel wird eine Vierfach- Verzweigungskomponente beschrieben.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 7

Fig. 19 ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration der vierfach verzweigenden Komponente gemäß dem siebenten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung zeigt. In Fig. 19 sind drei Zweifach- Verzweigungskomponenten 53, 54 und 55 auf einem Substrat 40 gebildet. Jede Zweifach- Verzweigungskomponente ist eine optische 50 %- Koppelverzweigungskomponente wie jene des vierten Ausführungsbeispiels in Fig. 14. Ein Eingangsanschluß 56 und vier Ausgangsanschlüsse 57, 58, 59 und 60 sind vorgesehen. Das optische Signal, das in dem Eingangsanschluß 56 startet, wird von der optischen Verzweigungskomponente 53 in zwei gleiche Teile aufgeteilt, und wird weiter geteilt durch die optischen Verzweigungskomponenten 54 und 55 und dann an Ausgangsanschlüssen 57, 58, 59 und 60 ausgegeben. Diese Konfiguration kann eine Vierfach- Verzweigungskomponente geringer Wellenlängenabhängigkeit vorsehen: die Änderung des Koppelverhältnisses in Hinsicht auf jeden Ausgangsanschluß in dem Wellenlängenbereich von 1,25 um bis 1,6 um ist gering, 25 % ± 5 %. Auffallend ist, daß die Größe des Substrats 40 ungefähr 50 mm × 5 mm beträgt und daß die Trennung zwischen den benachbarten Ausgangsanschlüssen 250 um beträgt, um so den Abstand der Glasfasergruppierung anzupassen.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 8

Fig. 20 ist eine Aufsicht, die eine Konfiguration einer Gruppierung aus optischen Verzweigungskomponenten mit geführten Wellen zeigt, die in einem großen Wellenlängenbereich betrieben werden kann. Jedes der vier optischen 50 %- Koppelverzweigungskomponenten 61, 62, 63 und 64 hat einen gleichen Aufbau wie das vierte Ausführungsbeispiel, und Komponenten 61 bis 64 sind in Parallelform angeordnet. Eine Eingangs- Anschlußgruppierung 65 und eine Ausgangs- Anschlußgruppierung 66, eine Fasergruppierung 67 und eine Ausgangs- Fasergruppierung 68, sowie Eingangs- Faseranschlüsse 69 und Ausgangs- Fasergruppierung 70 sind vorgesehen. Der Fasergruppierungsabstand in den Gruppierungsanschlüssen 69 und 17 und die Wellenleiterabstände des Eingabe- und Ausgabeanschlusses der Gruppierung 65 und 66 sind auf 250 um festgelegt. Das Substrat dieses Ausführungsbeispiel ist klein, die Größe beträgt 25 mm × 5 mm, wobei der Vorteil der optischen Komponenten mit geführten Wellen hinzukommt, daß eine Mehrzahl der Komponenten auf einem einzelnen Substrat gebildet werden kann.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die optischen Verzweigungskomponenten unter Verwendung von Lichtwellenleitern auf Silika- Grundlage gebildet (SiO&sub2;- TiO&sub2;). Jedoch sind die Substrate nicht auf Siliziumsubstrate beschränkt. Substrate von Silika- Glas können auch verwendet werden. Außerdem können Lichtwellenleiter auf SiO&sub2;- GeO&sub2;- Grundlage benutzt werden, die GeO&sub2; als Hauptdotierung des Kerns verwendet. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung nicht nur auf Lichtwellenleiter auf Silika- Grundlage angewandt werden, sondern auch auf Wellenleiter aus anderen Materialien, wie ein System aus Mehrfach- Komponenten- Glas oder aus Lithium- Niob.
Obwohl in den vorstehenden Ausführungsbeispielen (n × ΔL) als Differenz von Längen von zwei Wellenleitern festgelegt ist, die die beiden Richtkoppler verbinden, können darüber hinaus andere Verfahren benutzt werden: z. B. kann die effektive optische Weglängendifferenz durch geringfügige Änderung der Brechungsindizes der beiden Wellenleiter erzielt werden, wobei die Längen der beiden identischen Wellenleiter beibehalten werden. Genauer gesagt, ein Dünnfilm- Heizelement auf dem Lichtwellenleiter zwischen den Richtkopplern kann den Brechnungsindex des Lichtwellenleiters mit dem thermo- optischen Effekt hervorrufen, und dadurch kann die effektive optische Weglängendifferenz eingestellt werden, wodurch auf diese Weise eine gewünschte optische Verzweigungskomponente erzielt wird. Außerdem kann die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses umgeschaltet werden, um so die Wellenlängenabhängigkeit zwischen dem großen und dem kleinen Wert zu erzielen. Dies kann ausgeführt werden, indem das Dünnfilm- Heizelement, das entweder auf dem längeren oder dem kürzeren Wellenleiter vorgesehen ist, ein- und ausgeschaltet wird, um die effektive optische Weglänge von Anfang an auf ΔL zu setzen.
Ein Beispiel der optischen Verzweigungskomponente mit einem variablen Koppelverhältnis wird im folgenden Ausführungsbeispiel beschrieben.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 9

Die Figuren 21A und 21B zeigen das neunte Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 11 gezeigten, zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, daß Dünnfilm- Heizelemente 71 und 72 auf einer Mantelschicht 45 vorgesehen sind, die auf den beiden Wellenleitern 41 und 42 gebildet ist, die die beiden Richtkopplern 43 und 44 miteinander verbinden. Die Dünnfilm- Elemente 71 und 72 bestehen aus Chrom- (Cr)- Dünnfilm, der eine Stärke von 0,5 um aufweist, eine Breite von 20 m und eine Länge von 2,5 mm. Wenn kein elektrischer Strom durch die Dünnfilm- Heizelemente 71 und 72 fließt, arbeitet das optische Koppelelement dieses Ausführungsbeispiels wie eine 20 %- Koppelkomponente, deren Wellenlängenabhängigkeit vermindert ist, wie beim Koppelelement des zweiten Ausführungsbeispiels.
Wenn anderenfalls ein elektrischer Strom durch die auf dem Lichtwellenleiter 41 gebildet Dünnfilm- Heizelemente 71 fließt, der die kürzere Weglänge zwischen den beiden Richtkopplern aufweist, wird die Temperatur des Abschnitts des Lichtwellenleiters 41 gerade unter dem Heizelement erhöht, und der wirksame Brechungsindex in diesem Abschnitt wird leicht erhöht. Auf diese Weise setzt der Anstieg der wirksamen optischen Weglänge des Lichtwellenleiters 41 durch den thermooptischen Effekt die effektive optische Weglängendifferenz von der ursprünglichen Differenz von 0,9 um vor Anlegen des Stromes herab, was in der Folge insgesamt das Koppelverhältnis der gesamten optischen Koppelkomponente verändert.
Fig. 22A ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeiten der Koppelverhältnisse der optischen Verzweigungskomponente des Ausführungsbeispiels ausgedruckt zeigt, wobei elektrische Leistungen an das Dünnfilm- Heizelement 71 Parameter (0 W, 0,1 W, 0,3 W, 0,5 W, 0,7 W und 0,9 W) sind. Wenn die zugeführte Leistung 0 W beträgt, wird das 20 %- Koppelverhältnis in einem weiten Wellenlängenbereich von 1,2 um bis 1,7 um erzielt, gerade wie bei der optischen Verzweigungskomponente des zweiten Ausführungsbeispiels. Wenn die Leistung 1 W beträgt, fällt das Koppelverhältnis auf etwa 10 % ab. Wenn die Leistung 0,3 W bis 0,9 W beträgt, steigt die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses allmählich an, und das Koppelverhältnis erreicht fast 100 % bei etwa 1,65 um. Diese effektive optische Weglängendifferenz zwischen den beiden Richtkopplern 43 und 44 wird in Betracht gezogen, indem Vergleiche mit theoretischen Berechnungen gemacht werden, um auf etwa Null herabgesetzt zu werden, wenn die Leistung 0,9 W beträgt.
Im Gegensatz zu Fig. 22A ist Fig. 22B ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeiten der Koppelverhältnisse zeigt, wobei das Dünnfilm- Heizelement 72 auf dem Lichtwellenleiter vorgesehen ist und mit einem elektrischen Strom versorgt wird. Die Wellenlängenabhängigkeiten sind unter Angabe elektrischer Leistungen als Parameter ausgedruckt, die dem Dünnfilm- Heizelement zugeführt werden (0 W, 0,1 W, 0,2 W, 0,3 W, 0,4 W und 0,6 W). Mit dem Anstieg der Leistung wächst das Koppelverhältnis von dem Anfangswert von 20 % auf 40 %, und die Wellenlängenabhängigkeit nimmt allmählich zu. Die effektive optische Weglängendifferenz zwischen den beiden Richtkopplern 43 und 44 wird in Betracht gezogen, indem ein Vergleich mit theoretischen Berechnungen angestellt wird, um auf etwa 1,5 um abgesenkt zu werden, wenn die Leistung 0,6 W beträgt.
Die optische Verzweigungskomponente des Ausführungsbeispieles mit dem Dünnfilm- Heizelement kann als abstimmbare Koppelkomponente arbeiten, wie klar aus den experimentellen Resultaten gemäß der Figuren 22A und 22B hervorgeht, wobei die Koppelkennlinien in einem kleinen oder einem großen Umfang durch Einstellen der Ströme erzielt werden können, die den Dünnfilm- Heizelementen zugeführt werden.
In den obigen Ausführungsbeispielen sind alle optischen Verzweigungskomponenten unter Verwendung von Lichtwellenleitern aus planaren Substraten oder basischen Elementen aufgebaut. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die optischen Verzweigungskomponenten unter Verwendung planarer Lichtwellenleiter beschränkt. Das folgende Ausführungsbeispiel verwendet Glasfasern als Lichtwellenleiter.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 10

Die Figuren 23A und 23B veranschaulichen Konfigurationen von optischen Verzweigungskomponenten des zehnten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung, die aus Fasern bestehen und in einem weiten Wellenlängenbereich arbeiten. Diese Verzweigungskomponenten sind grundlegend aus zwei Einzelmoden- Glasfasern 73 und 74 zusammengesetzt. Die Einzelmoden- Glasfasern 73 und 74 sind an zwei Abschnitten geschmolzen und gedehnt, und bilden auf diese Weise zwei Richtkoppler 75 und 76. Die Längen der Glasfasern 73 und 74, die die Richtkoppler 75 und 76 verbinden, sind geringfügig unterschiedlich: die effektive optische Weglänge der Glasfaser 74 ist geringfügig um etwa 1 um länger als die der Glasfaser 73, wodurch die vorliegende Erfindung gekennzeichnet ist. Der effektive optische Weglängen- Differenzabschnitt 77 wird durch leichtes Biegen der Glasfaser 74 in Fig. 23A erzielt, und durch Biegen der beiden Glasfasern zwischen den Richtkopplern in Fig. 23B. Da die optischen Längen relative Größen sind, kann die Glasfaser 73 gekrümmt sein, anstelle der Faser 74 in Fig. 23A.
In den Figuren 23A und 23B spielen die Glasfasern 73 und 74 eine Rolle als Richtkoppler 43 und 44 im ersten Ausführungsbeispiel, und bilden ein optisches Interferometer mit Eingangsanschlüssen 78, 79 und Ausgangsanschlüssen 80 und 81. Diese Konfigurationen können als optische Verzweigungskomponenten arbeiten, wobei die Wellenlängenabhängigkeit dieser vermindert werden kann. In diesem Falle sollte angemerkt werden, daß die Längen der Glasfasern zwischen den Richtkopplern 75 und 76 so kurz wie möglich gehalten werden müssen. Die stabile Arbeitsweise der optischen Verzweigungskomponente mit der verminderten Wellenlängenabhängigkeit kann erreicht werden, wenn die Längen der Glasfasern zwischen den Richtkopplern 75 und 76 1 cm übersteigen, oder wenn das gesamte optische Interferometer einschl. der Richtkoppler 75 und 76 nicht fest in einer Einheit vorgesehen ist. Es ist nicht wünschenswert, daß zwei individuell gekapselte Richtkoppler des Zweifasertyps über zwei Fasern mehrere 10 cm verbunden werden, um so die optische Verzweigungskomponente des Ausführungsbeispiels zu bilden. In einer derartigen Konfiguration kann die stabile Arbeitsweise der optischen Verzweigungskomponente nicht erreicht werden wegen der unerwarteten Fluktuation der kleinsten effektiven optischen Weglängendifferenz aufgrund der Bewegung der Glasfasern zwischen den beiden Richtkopplern oder aufgrund der Temperaturänderung.
Bisher sind die Ausführungsbeispiele der optischen (2 × 2)- Verzweigungskomponenten mit geführten Wellen beschrieben worden. Als nächstes werden Typen optischer (3 × 3)- Verzweigungskomponenten mit geführten Wellen in Ausführungsbeispielen 11 bis 13 beschrieben.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 11

Die Figuren 24A bis 24D sind Ansichten, die eine Konfiguration der optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente mit geführten Wellen darstellen, wobei das Koppelverhältnis Ce, das mit 33 % ± 5 % in dem Wellenlängenbereich von λ&sub2; = 1,2 um bis λ&sub2; = 1,6 um vorgesehen ist: Fig. 24A ist eine Aufsicht davon; die Figuren 24B, 240 und 24D sind vergrößerte Querschnittsansichten entlang der Linien A - A', B - B' bzw. C - C' in Fig. 24A.
Ein Substrat 40 ist ein Siliziumsubstrat, und Lichtwellenleiter 82, 83 und 84 sind Lichtwellenleiter auf Silika- Basis, die auf dem Siliziumsubstrat 40 unter Verwendung von Glasmaterialien auf Silika- Basis gebildet sind. Die Lichtwellenleiter 82, 83 und 84 sind Seite an Seite in enger Nähe bei zwei Abschnitten auf dem Substrat angeordnet, und bilden somit Richtkoppler 85 und 86.
Die Lichtwellenleiter 82, 83 und 84 sind aus SiO&sub2;- TiO&sub2; basierenden Glaskernen zusammengesetzt, von denen jeder einen Querschnitt von etwa 8um × 8um aufweist und die in eine Mantelschicht 45 von etwa 50 um Dicke aus SiO&sub2; basierendem Glas eingebettet sind. Die Mach- Zehnder- Interferometerschaltung des Dreiwellenleiter- Typs ist durch Zusammensetzung gerader Muster und Bogenmuster gebildet, deren Kurvenradius 50 mm beträgt. Die Lichtwellenleiter 82, 83 und 84 auf Silika- Basis können mittels der bekannten Zusammensetzung aus Glasfilm- Auftragungstechnik und der Mikro- Fabrikationstechnik bestehen, die Glasfilm- Auftragetechnik verwendet Flammenhydrolyse- Reaktionen von Silizium- Tetrachlorid und Titan- Tetrachlorid; die Nikrofabrikationstechnik verwendet reaktives Ionenätzen.
In jeder Koppelzone des Richtkopplers 85 und 86 sind die drei Lichtwellenleiter 82, 83 und 84 und 4 um voneinander getrennt und sind parallel über eine Länge von 1,2 mm angeordnet.
Die Eingangsanschlüsse 87, 88 und 89 sind voneinander um 0,250 mm getrennt, und die Ausgangsanschlüsse 90, 91 und 92 sind ebenfalls um 0,250 mm voneinander getrennt. Die Wellenleiterlängen der betreffenden Lichtwellenleiter 82, 83 und 84 zwischen den zwei Optokopplern 85 und 86 betragen: L in Hinsicht auf den Lichtwellenleiter 83; und L + ΔL in Hinsicht auf die Lichtwellenleiter 82 und 84. Die effektive optische Weglängendifferenz (n × ΔL) wird auf 1,15 um gesetzt. Hier nimmt ΔL einen Wert von 0,79 um an, weil der Brechungsindex n auf dem Lichtwellenleiter auf Silika- Basis etwa 1,45 beträgt. ΔL kann mit dem photolithographischen Masken- Muster- Schritt unter Verwendung einer geringen Differenz in den Längen und Biegung der Wellenleiter und Geradeführung der Wellenleiter zwischen den Richtkopplern 85 und 86 in Fig. 24A genau eingestellt werden.
Die optischen Weglängen der Lichtwellenleiter 82 und 84, und die Lichtwellenleiter 83 zwischen den Richtkopplern 85 und 86 unterscheiden sich jeweils um einen geringen Betrag ΔL. Die optische Weglängendifferenz von ΔL des dreistiftigen Mach- Zehnder Inferometers erzeugt eine Phasendifferenz θ zwischen den beiden Richtkopplern 85 und 86, und die Phasendifferenz θ kann angegeben werden durch
θ = 2π × n × ΔL/λ ... (5)
wobei n der Brechungsindex der Lichtwellenleiter und Ä die Wellenlänge bedeuten. Das Leistungskoppelverhältnis Ci des gesamten dreistiftigen Mach- Zehnder- Inferometers in Fig. 24A kann ausgedrückt werden durch:
Ci = Psub/(Pmain + 2 Psub) ... (6)
und wird angegeben mit:
Ci = 2 cos²(θ/2) × sin²Ψ × [1 - cos²(θ/2) × sin²Ψ] ... (7)
wobei Ψ die Variable ist, die das Koppelverhältnis eines einzelnen (3 × 3)- Richtkopplers 85 oder 86 angibt. Als Bezug dient bei θ = 0, d. h., ΔL = 0, die Gleichung (7), die umgewandelt wird in:
Cio = [sin²(2Ψ)] /2 ... (7')
Die vorliegende Erfindung wendet der Tatsache, daß der Koppelausdruck sin²Ψ, der die Wellenlängenabhängigkeit des Richtkopplers festlegt, besondere Aufmerksamkeit zu, der in der Gleichung (7) in Form von um den Phasenausdruck cos²(θ/2) auftritt. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung gründet auf dem Prinzip, daß die Wellenabhängigkeit des Ausdrucks sin²Ψ in Gleichung (7) aufgehoben wird, indem die Wellenlängenabhängigkeit in der Gleichung (5) aufgehoben wird. Um ein gewünschtes Koppelverhältnis mit geringer Wellenlängenabhängigkeit in einem gewünschten Wellenlängenbereich durch Aufheben der Wellenlängenabhängigkeit des Ausdrucks sin²Ψ durch den Ausdruck cos² (θ/2) zu erreichen, ist es notwendig, die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses C eines einzelnen Richtkopplers 85 oder 86 zu bestimmen, und die Differenz (n × ΔL) genau durch unter Berücksichtigung der Gleichung (7) festzulegen.
Fig. 25 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses Ci der optischen Verzweigungskomponente des Ausführungsbeispiels veranschaulicht: Kurve (a) zeigt die Koppelverhältnis- Kennlinien eines einzelnen Richtkopplers 85 oder 86, der die Verzweigungskomponente bildet; Kurve (b) zeigt die gesamten Koppelverhältnis- Kennlinien des Mach- Zehnder- Inferometers des Typs der optischen Verzweigungskomponente gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung, bei dem n × ΔL = 1,15 um beträgt; Kurve (c) zeigt die Koppelverhältnis-Kennlinien, wobei n × ΔL 0,0 um, was dem Koppelverhältnis Ci0 in Gleichung (7') entspricht.
In den Kurven (a) und (c) wächst das Koppelverhältnis monoton in dem Wellenlängenbereich von 1,3 um bis 1,55 um mit der Wellenlänge an. Andererseits variiert in Kurve (b) das Koppelverhältnis in geringem Umfang mit einer Spitze etwa bei 1,4 um und wird beibehalten innerhalb von 33 % ± 5 % um Wellenlängenbereich von 1,2 um bis 1,6 um. Dies liegt daran, daß der monotone Anstieg des Koppelverhältnisses des optischen Verzweigungselements des Ausführungsbeispiels (gleiche Kurve (c)) beschränkt ist auf die Wirkung des angenähert eingesetzten Wertes (n × ΔL). Mit anderen Worten, der Anstieg des Ausdrucks sin²Ψ ist begrenzt auf den Ausdruck cos²(θ/2) in Gleichung (7), wobei der Wert θ, der durch (n × ΔL) in Gleichung (5) bestimmt ist. In diesem Fall wird bei λ&sub0; = n × ΔL: θ = 2 Φ erzielt, wobei die Wellenlänge λ = λ&sub0; ist. Wenn folglich die Wellenlänge λ = λ&sub0; (= n × ΔL) ist, wird die Gleichung (7) auf die Gleichung (7') reduziert, und die Kurven (b) und (c) entsprechen einander in diesem Punkt in Fig. 25.
Wenn λ über λ&sub0; ansteigt, und selbst über λ&sub1;, fängt der Ausdruck cos²(φ/2) von 1 an zu fallen, und wirkt in dem Sinne, daß der Anstieg von sin² Ψ aufgehoben wird.
Wie zuvor beschrieben, ist im Ausführungsbeispiel die optische Weglängendifferenz entsprechend der Phasendifferenz θ = 2 π λ&sub0;/λ für die beiden Richtkoppler vorgesehen, deren Koppelverhältnis C in monotoner Weise auf 50 % ansteigen würde, wenn die Differenz nicht existierte, und somit ist für das Gesamtsystem einschl. der beiden Richtkoppler eine durch (n × ΔL) erzeugte Asymmetrie vorgesehen. Dies hindert dann das Koppelverhältnis Ci in der optischen Verzweigungskomponente daran, 50 % zu erreichen, und folglich tritt das maximale Koppelverhältnis etwa in der Mitte des gewünschten Wellenlängenbereichs von λ&sub1; und λ&sub2; auf.
In der vorliegenden Erfindung muß die effektive optische Weglängendifferenz (n × ΔL) oder ΔL genau eingestellt werden: Wenn n × ΔL von geeigneten Werten etwa von 1,15 um bis 1,4 um abweicht, kann die gewünschte schwache Variation der Wellenlängenabhängigkeit nicht erzielt werden. Auf diese Weise ist ein hoher Grad an Genauigkeit unterhalb eines u gefordert, indem (n × ΛL) und ΛL eingestellt werden. Dies kann jedoch leicht erreicht werden, indem die gängige Photolithographie angewandt wird, wie schon erwähnt.
Die optische (3 × 3) Verzweigungskomponente des Ausführungsbeispiels ist kompakt, deren Abmessungen sind 25 mm lang und 2,5 mm breit, und etwa 40 Komponenten können gleichzeitig auf einem 3- Inch- großen Siliziumplättchen-Substrat angeordnet werden.
Der optische Leistungsverlust der optischen Verzweigungskomponente in diesem Ausführungsbeispiel ist sehr gering, etwa 0,2 dB. Der gesamte Leistungsverlust dieser optischen Verzweigungskomponente einschl. der Verbindungsverluste zwischen der Komponente und den mit den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen verbundenen optischen Einzelmoden- Fasern beträgt etwa 0,5 dB, was für den praktischen Betrieb hinreichend niedrig ist.
Die Koppelverhältnisse in diesem Ausführungsbeispiel der beiden Richtkoppler 85 und 86 sind zum besseren Verständnis identisch festgelegt. Die vorliegende Erfindung jedoch ist nicht darauf beschränkt. Verschiedene Koppelkennlinien der beiden Richtkoppler sind besser zur Herabsetzung der Wellenlängenabhängigkeit der optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente geeignet. Dies geht aus dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 12

Fig. 26 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente zeigt, in der zwei Richtkoppler 85 und 86 unterschiedliche Koppelkennlinien haben. In Fig. 26 zeigt Kurve (a) die Koppelverhältnis- Kennlinien des Richtkopplers 85, und Kurve (b) zeigt die Koppelverhältnis- Kennlinien des anderen Richtkopplers 86, dessen Koppellänge dreimal länger als die des Richtkopplers 85 ist. Kurve (c) zeigt die Gesamtkoppelverhältnis- Kennlinien der optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente des 3- Wellenleiter- Interferometertyps, bei dem die effektive optische Weglängendifferenzen der Lichtwellenleiter 82 und 83 und Lichtwellenleiter 84 und 83 mit (n × ΔL) = 1,06 um spezifiziert sind.
Die Grundstrukturen der Richtkoppler 85 und 86 sind die folgenden:
Richtkoppler 85
Trennung zwischen den Wellenleitern 4 um
Koppellänge 0,6 mm
Richtkoppler 86
Trennung zwischen den Wellenleitern 4 um
Koppellänge 1,8 mm
Die optische Verzweigungskomponente dieses Ausführungsbeispiels, deren Koppelkennlinie durch Kurve (c) in Fig. 26 dargestellt ist, hat eine geringere Wellenlängenabhängigkeit, d. h., sie hat eine flachere Koppelkennlinie in einem größeren Wellenlängenbereich als die optische Verzweigungskomponente, deren Koppelkennlinie mit der Kurve (b) in Fig. 25 dargestellt sind.
Im Falle der beiden Richtkopp1er 85 und 86, die verschiedene Koppelkennlinien haben, wird die Gleichung, die das gesamte Koppelverhältnis der optischen Koppelverzweigungskomponente dieses Ausführungsbeispiels beschreibt, komplizierter als die Gleichung (7). Also ist es vorzuziehen, daß die Wurzeln der Kopplungsgleichung, die die Wellenlängenabhängikeit in einem besonderen Wellenlängenbereich vermindern, durch numerische Berechnung unter Verwendung eines Computers gewonnen werden. Dies berührt jedoch nicht die Tatsache, daß die passende Einstellung der effektiven optischen Weglängendifferenz (n × ΔL) die Wellenlängenabhängigkeiten verringern kann, die die Richtkoppler 85 und 26 ursprünglich besitzen
Übrigens kann man durch Austausch der Positionen der beiden Richtkoppler 85 die gleichen Koppelkennlinien der optischen Verzweigungskomponente erreichen.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 13

Fig. 27 zeigt die Kennlinien des dreizehnten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung: es ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses der optischen (3 × 3)- Verzweigungskomponente zeigt, deren Koppelverhältnis ungefähr bei 10 % in einem weiten Wellenlängenbereich von 1,1 um bis 1,8 um aufrechterhalten wird.
In diesem Ausführungsbeispiel haben die beiden Richtkoppler 85 und 86 verschiedene Koppelkennlinie, wie in Ausführungsbeispiel 12. Die grundlegenden Strukturen dieser Richtkoppler 85 und 86 sind die folgenden:
Richtkoppler 85
Trennung zwischen den Wellenleitern 4 um
Koppellänge 0,6 mm
Richtkoppler 86
Trennung zwischen den Wellenleitern 4 um
Koppellänge 1,0 mm
effekt. optische Weglängendifferenz (n × ΔL) 1,0 um
Die strukturellen Parameter der Kopplungszone der Richtkoppler, die oben beschrieben sind, können in passender Weise unter Berücksichtigung verschiedener Besonderheiten beim Herstellungsprozeß abgewandelt werden, weil ein Richtkoppler sehr empfindlich auf die Struktur reagiert.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen 11 bis 13 werden die Koppelkennlinien gewonnen, wenn das optische Signal in dem Eingangsanschluß 88 gestartet wird, welches ein Ende mittleren Wellenleiters 83 der drei Wellenleiter 82, 83 und 84 ist. Dies liegt daran, weil eine derartige Gebrauchsform am meisten verbreitet ist. Die optische Verzweigungskomponente nach der vorliegenden Erfindung jedoch kann die Wellenläiigenabhängigkeit vermindern, selbst wenn das optische Signal in dem anderen Eingangsanschluß 87 oder 89 gestartet wird. In diesem Fall jedoch tritt eine große Intensitätsdifferenz zwischen der optischen Ausgangsintensität aus Ausgangsanschlüssen 90 und 91 auf.
Außerdem sind in den obigen Ausführungsbeispielen 11 bis 13 die effektiven optischen Weglängen der Wellenleiter 82 und 84 länger als diejenigen des Wellenleitern 83 um (n × ΔL) zwischen den beiden Richtkopplern. Da die Variation dieser, der effektiven optischen Weglängen der Wellenleiter 82 und 84 größer eingestellt sind als die des Welleleiters 83 um (n × ΔL) bzw. 2(n × ΔL). Dieses kann auch eine optische (3 × 3)- Verzweigungskomponente erzielen, in der die Wellenlängenabhängigkeit vermindert ist. In diesem Fall ist offensichtlich, daß das in dem mittleren Eingangsanschluß 88 gestartete optische Signal nicht in gleicher Weise auf die Ausgangsanschlüsse 90 und 22 verteilt wird, weil die Symmetrie nicht gegeben ist.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen 11 bis 13 sind die Lichtwellenleiter 82 und 84 in der Koppelzone der Richtkoppler 85 und 86 symmetrisch hinsichtlich des Wellenleiters 83. Jedoch kann die Symmetrie aufgegeben werden: beispielsweise die Trennung zwischen den Lichtwellenleitern 80 und 83 wird breiter als die Trennung zwischen den Lichtwellenleitern 83 und 84 eingestellt, und von daher wird die optische Ausgangsleistung aus dem Ausgangsanschluß 90 kleiner als diejenige aus dem Ausgangsanschluß 92, wenn das optische Signal in dem Eingangsanschluß 88 des mittleren Wellenleiters 83 gestartet wird. In diesem Fall wird auch die Wellenlängenabhängigkeit der Koppelkennlinie vermindert, indem (n × ΔL) vorgesehen wird.
Übrigens haben die optischen Verzweigungskomponenten der vorliegenden Erfindung eine (3 × 3)- Basisstruktur, in der drei Eingangsanschlüsse und drei Ausgangsanschlüsse vorgesehen sind. Dies jedoch kann in verschiedener Weise abgewandelt werden: beispielsweise kann ein (1 × 3)- Koppler durch Fortlassen zweier der drei Eingangsanschlüsse erreicht werden.
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die optischen Verzweigungskomponenten unter Verwendung von (SiO&sub2;- TiO&sub2;)- Lichtleiter auf Silika- Basis auf dem Siliziumsubstraten gebildet. Jedoch sind die Substrate nicht auf Siliziumsubstrate beschränkt: Substrate aus Silika- Glas können auch verwendet werden. Außerdem können auch SiO&sub2;- Wellenleiter verwendet werden, die GeO&sub2; als Hauptdotierung für den Kern benutzen. Außerdem kann die vorliegende Erfindung nicht nur auf Lichtleiter auf Silika- Basis, sondern auch auf Wellenleiter anderer Materialien wie Mehrkomponenten- Glassysteme oder Lithium- Niob- Systeme angewendet werden.
Obwohl in den vorstehenden Ausführungsbeispielen (n × ΔL) als Differenz der Längen der beiden Lichtleiter, die die beiden Richtkoppler verbinden, spezifiziert wurden, sind auch andere Anordnungen möglich: beispielsweise kann die effektive optische Weglängendifferenz durch geringfügige Änderung der Brechungsindizes der beiden Wellenleiter erreicht werden, während die Länge der beiden Lichtleiter identisch beibehalten werden. Genauer gesagt, ein Dünnfilm- Heizelement auf dem Lichtleiter zwischen den Richtkopplern kann den Brechungsindex der Lichtleiter mit dem thermo- optischen Effekt variieren, und dadurch kann die effektive optische Weglängendifferenz eingestellt werden, wodurch eine gewünschte optische Verzweigungskomponente erzielt werden kann. Darüber hinaus kann die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses umgeschaltet werden, um so die Wellenlängenabhängigkeit zwischen den großen und kleinen Wert zu ändern. Dies kann durch ein Ein- und Ausschalten des Dünnfilm- Heizelementes ausgeführt werden, das entweder auf dem längeren oder auf den kürzeren Wellenleiter vorgesehen ist, um die effektive optische Weglänge von Anfang an auf ΔL zu bringen.
Die obige Beschreibung galt den optischen Komponenten mit geführten Wellen gemäß den Ausführungsbeispielen 1 - 13. Die folgende Beschreibung gilt den optischen Schaltern mit geführten Wellen nach der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 14

Fig. 28A ist eine Aufsicht, die ein Konfiguration des optischen Schalters mit geführten Wellen nach dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, die ausgelegt ist, gleichzeitig mit dem Wellenlängen 1,3 um und 1,55 um zu arbeiten; die Figuren 28B und 280 und 28D sind vergrößerte Querschnittsansichten entlang der Linie A - A', B - B' bzw. C - C' in Fig. 28A.
Auf einem Siliziumsubstrat 100 sind zwei 3- dB- Optokoppler 101 und 102 angeordnet, und zwei Lichtleitfasern 103 und 104 mit Einzel- Noden auf Silika- Basis. Auf dem Lichtleiter 103 und 104 sind thermo- optisch wirkende Phasenschieber 105 und 106 vorgesehen. Darüber hinaus sind Eingangsanschlüsse 107 und 108 und Ausgangsanschlüsse 109 und 110 vorgesehen. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der herkömmlichen, in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung dadurch, daß jeder 3- dB- Optokoppler (101) oder (102) die gleiche Konfiguration des optischen Mach- Zehnder- Interferometers einschließlich zweier Richtkoppler 101a und 101b (oder 102a und 102b) aufweist. In jedem Mach- Zehnder- Interferometer, das den 3- dB- Optokoppler 101 (oder 102) bildet, ist eine effektive optische Weglängendifferenz von λ&sub0; zwischen den Lichtleitern 103a und 104a (oder 103b und 104b) vorgesehen. In diesem Falle weisen die Lichtleiter 104a und 103b längere optische Weglängen in den betreffenden 3- dB- Optokopplern 101 und 102 auf, die gegenüberliegend hinsichtlich der Mittellinie zwischen den beiden Wellenleitern 103 und 104 angeordnet sind.
Wie in den Figuren 28B, 280 und 28D dargestellt, haben die Lichtleiter 103 und 104 Kerne von einem Querschnitt von etwa 8 um x 8 um und sind eingebettet in eine Mantelschicht 111 von etwa 50 um Dicke, die sich auf dem Substrat 100 befindet. Die Richtkoppler 101a, 101b, 102a und 102b sind durch Plazierung zweier Lichtleitfaser 104a (104) und 103a (103) oder 104b (104) und 103b (103) in enger Nähe von wenigen Mikrometern über hunderte von Mikrometern entlang angeordnet, wie in Fig. 28B dargestellt. In Fig. 28C, die entlang der Linie B - B' in Fig. 28 gezogen ist, ist der Lichtleiter 104a (104) länger gemacht als der Lichtleiter 103a (103) oder 104b (104) und 103b (103) in enger Nähe von wenigen Mikrometern über hunderte von Mikrometern entlang angeordnet, wie in Fig. 28B dargestellt. In Fig. 28C, die entlang der Linie B - B' in Fig. 28 gezogen ist, ist die Lichtleitfaser 104a (104) länger gemacht als die Lichtleitfaser 103a (103), um eine optische Weglängendif ferenz von λ&sub0; zwischen den Richtkopplern 101a und 101b in einer solchen Weise vorzusehen, daß die Lichtleitfaser 104a geringfügig zwischen die Richtkoppler 101a und 101b gebogen ist; andererseits ist der Lichtleiter 103b (103) länger gemacht als der Lichtleiter 104b (104), um die optische Weglängendifferenz von λ&sub0; zwischen den Richtkopplern 102a und 102b in einer solchen Weise vorzusehen, daß die Lichtleitfaser 103b etwas zwischen die Richtkoppler 102a und 102b gebogen ist.
Die optische Weglängen der betreffenden Lichtleiter 103 und 104 zwischen den 3- dB- Optokopplern 101 und 102 sind gleichmäßig mit einer höheren Genauigkeit als 0,1 um geformt. Darüber hinaus sind auf der Mantelschicht 111 zwei Dünnfilm- Heizelemente (aus Chromfilm beispielsweise) gebildet, von denen jeder 50 um breit und etwa 5 mm lang ist, um als thermo- optisch wirkender Phasenschieber 105 und 106 zu arbeiten, wie in Fig. 28 dargestellt.
Der Radius der Krümmung der Bogenmuster von den Lichtleitern dieses Ausführungsbeispiels ist auf 50 mm festgelegt. Der optische Schalter ist 40 mm × 2,5 mm groß und wird in der bekannten Zusammensetzung aus Glasfilm- Auftragungstechnik unter Verwendung von Flammenhydrolyse- Reaktionen und der Mikrofabrikationstechnik unter Anwendung reaktiven Ionenätzens dargestellt.
In der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, die optische Weglängendifferenz λ&sub0; zwischen den beiden Richtkopplern zu bilden, die jeweils aus 3- dB- Optokopplern 101 und 102 mit einem hohe Grad an Genauigkeit hergestellt werden. Man hat durch Experimente bei der Herstellung und durch Computersimulationen herausgefunden, daß der Fehler bei λ&sub0; innerhalb von ± 0,1 um zu halten ist. Dies kann leicht durch die gängige Photolithographie erreicht werden.
Der Aufbau und die Koppelkennlinien der 3- dB- Optokoppler 101 und 102 werden detailliert erläutert, bevor die Gesamtkennlinien des optischen Schalters dieses Ausführungsbeispiels beschrieben werden. Die zuvor beschriebenen 3- dB- Optokoppler sind grundsätzlich dem optischen Verzweigungskomponenten gleich, die im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind.
Fig. 29 ist ein Graph, der die Koppelverhältnisse bezogen auf die Wellenlänge des Optokopplers 101 und 102 des Mach-Zehnder- Interferometers vom 3- dB- Typ zeigt, die den optischen Schalter der vorliegenden Erfindung bilden. Die Koppelkennlinien werden gewonnen durch Messung einer Testprobe des 3- dB- Optokopplers 101, der in Fig. 29B dargestellt ist und der individuell auf einem Siliziumsubstrat unter Bildung von Richtkopplern 101a und 101b zusammen mit den Lichtleitern 104a und 104b in gleicher Weise wie die Richtkoppler 101 und 102 in Fig. 28A aufgebaut sind.
Die Kurve (a) in Fig. 29A zeigt die Wel1enlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des Richtkopplers 101a oder 101b selbst, die Koppelzone derer ist in der Weise gebildet, daß die Lichtleiter um 4 um getrennt sind, und die effektive Länge der Lichtleiter in den Koppelzonen betragen L&sub1; = L&sub2; = 0,3 mm. Die Richtkoppler in diesem Ausführungsbeispiel sind einander identisch.
Die Kurve (b) zeigt Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des Optokopplers 101 in seiner Gesamtheit, wenn die optische Weglängendifferenz λ&sub0; zwischen den Richtkopplern 101a und 101b auf 1,15 um gesetzt wird. Es muß angemerkt werden, daß die Berücksichtigung des Brechungsindex der Lichtleiter 103a und 104a auf Silika- Basis etwa 1,45 beträgt, die auftretende optische Weglängendifferenz entsprechend λ&sub0; = 1,15 um ist 0,79 um (= 1,1 um/1,45).
Kurve (c) zeigt die Wellenlängenabhängikeit des Gesamtkoppelverhältnisses der beiden hintereinandergeschalteten Richtkoppler 101a und 101b, wenn λ&sub0; willkürlich auf 0,0 um gesetzt wird. Die Koppelkennlinien entsprechen in diesem Fall einem Richtkoppler, dessen Koppellänge ( L&sub1; + L&sub2;) beträgt.
Die Kurve (b) zeigt, daß das Koppelverhältnis des gesamten Optokopplers 101 innerhalb eines Bereichs von etwa 50% ± 10% in einem Wellenlängenbereich von 1,22 bis 1,60 um aufrecht erhalten wird, wenn die optische Weglängendifferenz in geeigneter Weise bestimmt ist (d. h., wenn λ&sub0; = 1,15 um). Diese Tatsache zeigt einen scharfen Kontrast zu der Tatsache, daß das Koppelverhältnis von 50% ± 10% des herkömmlichen optischen Schalters begrenzt ist auf einen engen Bereich von 1,24 um bis 1,7 um, wie durch die Kurve (c) in Fig. 6 dargestellt, die die optischen Koppelkennlinien des herkömmlichen optischen Schalters zeigt.
Fig. 30 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des optischen Schalters gemäß Fig. 28 entsprechend den Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; Der Optokoppler, dessen Kennlinien durch die Kurve (b) in Fig. 29A gezeigt ist, wird als 3- dB- Optokoppler 101 und 102 verwendet.
Der allerwichtigste Punkt bei dem Aufbau des optischen Schalters ist der folgende: obwohl in dem 3- dB- Optokoppler 101 der Lichtleiter 104a länger als 103a um λ&sub0; = 1,15 um, ist in dem 3- dB- Optokoppler die Lichtleitfaser 103b um λ&sub0; = 1,15 um länger als die Lichtleitfaser 104b (dies wird später genauer beschrieben).
Die Kurve (a) in Fig. 30 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit: des optischen Koppelverhältnisses (107 bis 110) wenn der optische Schalter in AUS- Zustand ist, d. h., wenn die Phasenschieber 105 und 106 in ihrem AUS- Zustand sind. In dem herkömmlichen optischen Schalter wird die Wellenlängenbereich, in dem das Koppelverhältnis über 90% aufrecht erhalten wird, beschränkt auf 1,20 um bis 1,4 um. Im Gegensatz dazu ist in Fig. 30 die Wellenlängenbereich, in dem das Koppelverhältnis über 50% ist, von 1,20 bis 1,61 um breit, wobei nicht nur 1,3 um sondern auch 1,55 um enthalten sind.
Die Kurve (b) in Fig. 30 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses (107 bis 110), wenn einer der Phasenschieber (Dünnfilm- Heizelemente) in dem EIN- Zustand ist: die optische Weglängenänderung entsprechend 0,71 um Länge wird in einem der Lichtleiter erzeugt durch Änderung des Brechungsindex auf Grund der thermo- optischen Effekts (die Leistungsaufnahme des Dünnfilm- Heizelements beträgt etwa 0,5 W). Der Wellenlängenbereich, in dem das Koppelverhältnis unter 5% beträgt, liegt bei 1,24 bis 1,70 um. In diesem Zustand wird das optische Signal durch den Weg 107 nach 109 übertragen. Kurz gesagt, der optische Schalter der vorliegenden Erfindung kann als ein optischer Schalter verwendet werden, dessen Koppelverhältnis entweder über 90% oder unter 5% bei der Wellenlänge sowohl von 1,3 um als auch bei 1,55 um liegt. Auf diese Weise löst der optische Schalter nach der vorliegenden Erfindung den Nachteil der herkömmlichen optischen Schalter. Das Koppelverhältnis (107 bis 110), das durch die Kurve (b) in Fig. 30 dargestellt ist, beträgt etwa 2% bei der Wellenlänge von 1,3 um. Das Koppelverhältnis kann jedoch weiter herabgesetzt werden, so daß das optische Signal über den Weg (107 bis 109) fast zu 100% übertragbar ist. Um dies zu erreichen, sollte die optische Weglängenänderung durch den Phasenschieber auf 0,65 um (= 1,3 um/2) gesteuert werden, so daß der Optimalwert bei der Wellenlänge von 1,3 um erreicht wird. Dies entspricht der Kurve (c) in Fig. 30. Dies wird jedoch zu Lasten von etwa 6% Anstieg beim Koppelverhältnis bei der Wellenlänge von 1,55 um erreicht.
Die Kurve (d) in Fig. 30 zeigt ein Beispiel, bei dem die Schaltfunktion bei der Wellenlänge von 1,55 um auf Kosten der Güte bei der Wellenlänge bei 1,3 um verbessert ist. Die Kurve (b) entspricht der Mitte der Kurven (c) und (d), in denen die optische Weglängendifferenz bei der Wellenlänge 1,42 um auf den Optimalwert von 0,71 um (= 1,42 um/2) eingestellt ist, so daß die Schaltfunktion bei der Wellenlänge von 1,3 um und 1,55 um kompatibel ist. Diese Kennlinie zeigen die Kurven (b), (c) und (d) und können gemäß dem Verwendungszweck ausgewählt werden.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 15

Fig. 31 ist ein Graph, der die Koppelverhältnisse bezogen auf die Wellenlänge des optischen 3- dB- Optokopplers darstellt, der den optischen Schalter gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung bildet. Die 3- dB- Optokoppler dieses Ausführungsbeispiels unterscheiden sich von dem obigen Ausführungsbeispiel vierzehn dadurch, daß sie verschiedene Richtkoppler 101a und 101b aufweisen wie in Fig. 31B dargestellt: die Koppellänge der Richtkoppler 101a ist auf L&sub1; = 0,6 mm gesetzt, wohingegen diejenige des Richtkopplers 101b auf L&sub2; = 0,3 mm gesetzt ist; die vorige ist zweimal so lang wie die letztere. Die optischen Weglängendifferenz zwischen dem Richtkoppler wird auf λ&sub0; = 0,95 um gesetzt. In Fig. 31A zeigt Kurve (a) die Koppelkennlinien des Richtkopplers 101a, Kurve (b) zeigt die Koppelkennlinien des Richtkopplers 101b, und Kurve (c) zeigt die Koppelkennlinien des 3- dB- Optokopplers 101 zur Gänze. Die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des 3- dB- Optokopplers 101 ist im Vergleich zu demjenigen, das mit Kurve (b) in Fig. 39 im Ausführungsbeispiel 14 dargestellt ist, vermindert: die Wellenlänge, bei der das Koppelverhältnis den Wert von 50% ± 5% annimmt, erstreckt sich von 1,17 um bis 1,66 um.
Fig. 32 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit des Koppelverhältnisses des optischen Schalters nach dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel Erfindung zeigt: der optische Schalter ist so aufgebaut, indem die zwei 3- dB- Optokoppler, dargestellt in Fig. 31A, in gleicher Weise wie jene in Fig. 28 angeordnet sind. Das wichtige Merkmal ist der innere Aufbau des 3- dB- Optokopplers 102: die Koppellänge des Richtkopplers 102a des 3- dB- Optokopplers 102 ist so testgelegt, daß sie der des Richtkopplers 101 gleich ist, und die Koppellänge des Richtkopplers 102b des 3- dB- Optokopplers 152 ist so bestimmt, daß sie der des Richtkopplers 101a gleich ist. Außerdem muß herausgestellt werden, daß die optische Weglängendifferenz zwischen den Optokopplern 102a und 102b in solcher Weise vorgesehen ist, daß die Lichtleitfaser 103 länger als der Lichtleiter 104 zwischen den Richtkopplern 102a und 102 b ist.
In Fig. 32 zeigt Kurve (a) die Kennlinie des Koppelverhältnisses (107 bis 110), wenn der Phasenschieber des optischen Schalters in seinem AUS- Zustand ist. Der Wellenlängenbereich, in dem das Koppelverhältnis über 90% liegt, ist weiter von 1,1 um auf 1,75 um im Vergleich mit demjenigen des Ausführungsbeispiels 14 ausgedehnt. Kurven (b), (c) und (d) zeigen die Kennlinien der Koppelverhältnisse, wenn der optische Schalter auf seine Stellung EIN durch Vorsehen einer der beiden Phsenschieber mit den Anderungen entsprechend der optischen Weglängendifferenzen von (b) = 0,71 um, (c) 0,65 um bzw. (d) = 0,75 um gebracht ist. Dies zeigt, daß der optische Schalter dieses Ausführungsbeispiels die gleiche Funktion erreicht wie der des Ausführungsbeispiels 14, und stellt die Arbeitsweise in einem weiten Wellenlängenbereich des optischen Schalters sicher.
Das obige war die Beschreibung vom Aufbau und den Arbeitsweisen der beiden Ausführungsbeispiele des optischen Schalters nach der vorliegenden Erfindung. Der optische Schalter nach der vorliegenden Erfindung jedoch ist nicht auf diese Konstruktionen beschränkt.
Die Figuren 33A bis 33D sind Ansichten, die mögliche Abwandlungen der optischen Schalter nach der vorliegenden Erfindung in Betracht ziehen. In der nachstehenden Erläuterung wird angenommen, daß die beiden Arten von Richtkopplern, die in Ausführungsbeispiel 15 verwendet werden, die Koppellänge von L&sub1; bzw. L&sub2; haben, ebenfalls verwendet werden, und daß die optische Weglängendifferenz zwischen den beiden Optokopplern auf λ&sub0; = 0,05 um gesetzt ist.
Fig. 33A zeigt den Aufbau, der zu dem Ausführungsbeispiel 15 identisch ist, der eine bevorzugte Kennlinie als optischer Schalter nach der vorliegenden Erfindung aufweist.
Fig. 33B zeigt ein Beispiel, das einen Kontrast zu dem in Fig. 33A dargestellten Ausführungsbeispiel bildet, in dem der Lichtleiter 104b länger als der Lichtleiter 103b in dem 3- dB- Optokoppler 102 gemacht ist, um so die optische Weglängendifferenz zu schaffen. Diese Konfiguration jedoch kann die bevorzugte Umschaltoperation der kleineren Wellenlängenabhängigkeit nicht erreichen.
Fig. 33C zeigt ein Beispiel, bei dem die Koppellängen L&sub1; und L&sub2; der Richtkoppler 102a und 102b in dem 3- dB- Optokoppler 102 in Hinsicht auf jene auf Fig. 33A ausgetauscht sind. Auch diese Konfiguration kann kein Vorzugsergebnis liefern.
Fig. 33D zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die Koppellängen L&sub1; und L&sub2; der Richtkoppler 101a und 101b, und 102a und 102b in beiden 3- dB- Optokopplern 101 und 102 in Hinsicht auf jene des Ausführungsbeispiels in 33A ausgetauscht sind, und außerdem sind die Lichtleiter 103a und 103b länger ausgeführt, im Gegensatz zu jenen des Ausführungsbeispiels in Fig. 33A, um so eigene optische Weglängendifferenzen der 3- dB- Optokoppler 101 und 102 zu erreichen. Dieses führt zu einer ebenso guten Arbeitsweise, wie in der Konfiguration gemäß Fig. 33A.
Die obigen Versuche legen nahe, daß die Aufbauten der optischen Schalter nach der vorliegenden Erfindung im wesentlichen mittensymmetrisch in Hinsicht auf den Mittelpunkt angeordnet sind. Das Detail muß durch Ausführen einer individuellen Simulation gemäß der Wellenkoppeltheorie bestimmt werden.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen sind die optische Wellenlängen zwischen den beiden 3- dB- Optokopplern identisch, wenn die Phasenschieber sich in ihrem AUS- Zustand befinden. Diese Einstellung jedoch kann geändert werden, so daß die EIN/AUS- Zustand in Fig. 30 oder 32 umgekehrt wird: die optische Weglängendifferenz von etwa 0,71 um wird anfänglich zwischen dem 3- dB- Optokopplern angegeben; und dann wird die optische Weglängendifferenz aufgehoben, indem der Phasenschieber EIN- geschaltet wird. Dieser Typ optischen Schalters ist auch in der vorliegenden Erfindung enthalten.
Vorstehendes galt der Beschreibung der optischen Wegumschaltfunktion des optischen Schalters nach der vorliegenden Erfindung. Diese Funktionen des optischen Schalters nach der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf die einfache Umschaltung optischer Wege beschränkt. Beispielsweise kann der optische Schalter nach der vorliegenden Erfindung als variabler Optokoppler betrieben werden, indem eine optische Weglängenvariation von etwa 0,2 um mittels der Phasenschieber vorgesehen wird.
Der Aufbau und die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung ist durch veranschaulichende Vorrichtungen unter Verwendung von Lichtleitern auf Silika- Basis beschrieben worden, die auf einem Siliziumsubstrat gebildet werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Material beschränkt; irgend ein anderes Material kann verwendet werden, um die Richtkoppler und Phasenschieber aufzubauen. Beispielsweise können Lichtleiter auf LiNbO&sub3;- Basis und elektro- optische Phasenschieber verwendet werden.
Darüber hinaus wird die Koppellänge eines jeden Richtkopplers in den voranstehenden Ausführungsbeispielen geringfügig in Hinsicht auf die Besonderheiten des Herstellprozesses abgewandelt, und von daher sollten diese Parameter in passender Weise eingestellt werden, ohne daß diese zahlenmäßig auf die obigen Beispiele beschränkt sind, so daß Richtkopplern erzielt werden können, deren Wellenlängenabhängigkeiten ähnlich jenen durch die Kurven(a) und (b) in Fig. 29A oder denen in Fig. 31A gleichen.
Es steht zu erwarten, daß die optischen Verzweigungskomponenten mit geführten Wellen nach der vorliegenden Erfindung weitestgehende Verbreitung bei der Verteilung, der Überwachung oder dem Anzapfen der optischen Signale in einem großen Wellenlängenbereich finden werden. Darüber hinaus sind die optischen Verzweigungskomponenten der vorliegenden Erfindung zur Verwendung als optische Verknüpfungsglieder zum Multiplexbetrieb für zwei oder drei Lichtstrahlen gedacht.
Darüber hinaus kann die optische Verzweigungskomponente nach der vorliegenden Erfindung leicht zu einer 4- fach- Verzweigungskomponente, einer 8- fach- Verzweigungskomponente, einer 9- fach- Verzweigungskomponente oder einer 27- fach- Verzweigungskomponente ausgedehnt werden, indem die optischen Verzweigungskomponenten nach der vorliegenden Erfindung zur Bildung einer vielstufigen Konfiguration auf einem Planarsubstrat verbunden werden. Außerdem können die optischen Verzweigungskomponenten, die auf einem Einzel- Substrat in Form einer Gruppierung untergebracht sind, mit einer Lichtleitergruppierung von 250 um Abstand verbunden werden, um so in praktischen Gebrauch genommen zu werden.
Die optischen Verzweigungskomponenten der vorliegenden Erfindung können in großer Anzahl auf einem Planarsubstrat hergestellt werden, wodurch die Kosten der optischen Verzweigungskomponenten sinken. Als Ergebnis sind die optischen Verzweigungskomponenten nach der vorliegenden Erfindung und ihre Anwendungskomponenten geeignet, zur Verbreitung der optischen Nachrichtensysteme einen bedeutsamen Beitrag zu leisten.
Darüber hinaus sind die optischen Schalter der vorliegenden Erfindung auch geeignet, Lichtleiter- Nachrichtennetze in Architekturen aufzubauen, die eine Vielzahl optischer Signale verschiedener Wellenlängen im Multiplexbetrieb übertragen.
Die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele dienen der Veranschaulichung, nicht aber der Beschränkung; der Bereich der Erfindung ist durch die anliegenden Patentansprüche und alle Abwandlungen festgelegt, die mit den Ansprüchen abgedeckt sind und diese einschließen.

Claims

1. Optische Komponente mit geführten Wellen, mit zwei oder mehreren Lichtleitern (32, 33; 41, 42; 73, 74; 82, 83, 84), deren eines Ende von wenigstens einem der Lichtleiter als Eingangsanschluß (36, 37; 46, 47; 78, 79; 87, 88, 89) dient, und deren andere Enden der Lichtleiter Ausgangsanschlüsse (38, 39; 48, 49, 80, 81; 90, 91, 92) bilden, wobei die Lichtleiter an zwei oder mehr Stellen zur Bildung zweier oder mehrerer Richtkoppler (34, 35; 43, 44; 50, 51, 52; 75, 76; 85, 86) nah aneinander angeordnet sind, wobei die effektive optische Weglänge in der Komponente von wenigsten einem der Lichtleiter zwischen zwei willkürlich ausgewählten, benachbarten Richtkopplern sich von derjenigen des anderen Lichtleiters oder der Wellenleiter zwischen den beiden Kopplern unterscheidet, wobei die Differenz der effektiven optischen Weglängen kürzer als die kürzeste Betriebswellenlänge der Komponente ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelverhältnis beider benachbarter Richtkoppler im Betriebswellenbereich der Komponente monoton mit der Wellenlänge in einer solchen Weise ansteigt, daß die Änderung des Koppelverhältnisses der Komponente aufgrund des Anstiegs des Koppelverhältnisses der beiden benachbarten Richtkoppler der Änderung des Koppelverhältnisses der Komponente mit Wellenlänge aufgrund der optischen Weglängendifferenz entgegenwirkt, wodurch die Wellenlängenänderung des Koppelverhältnisses der Komponente herabgesetzt wird.

2. Optische Komponente mit geführten Wellen, nach Anspruch 1, bei der die beiden oder die mehrfach vorhandenen Lichtleiter auf einem Substrat (31; 40) untergebracht sind.

3. Optische Komponente mit geführten Wellen, nach Anspruch 1, bei der die beiden oder die mehrfach vorhandenen Lichtleiter aus Lichtleitfasern (73, 74) bestehen.

4. Optische Komponente mit geführten Wellen, nach Anspruch 1, die zwei mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen vorgesehenene Lichtleiter enthält.

5. Optische Komponente mit geführten Wellen, nach Anspruch 1, die drei mit drei Eingangsanschlüssen und drei Ausgangsanschlüssen vorgesehenene Lichtleiter enthält.

6. Optische Komponente mit geführten Wellen, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Koppelverhältnisse der beiden benachbarten Richtkoppler auf unterschiedliche Werte eingestellt sind.

7. Optische Komponente mit geführten Wellen, nach Anspruch 1, die des weiteren einen optischen Phasenschieber (71, 72) zur Feinjustage der effektiven optischen Weglänge zwischen den benachbarten Richtkopplern enthält (43, 44), wobei der optische Phasenschieber auf wenigsten auf einem der beiden oder der mehrfach vorhandenen, die banachbarten Richtkoppler verbindenden Lichtleiter (41, 42) angeordnet ist.

8. Optische Komponente mit geführten Wellen, nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine optische Verzweigungskomponente ist.

9. Optischer Schalter mit geführten Wellen, der über zwei Lichtleiter (103, 104), ein primäres und ein sekundäres 3- dB- Optokoppler- Glied (101, 102) und über einen optischen Phasenschieber (105, 106) verfügt, wobei das primäre und das sekundäre 3- dB- Optokoppler- Glied die beiden Lichtleiter an verschiedenen Stellen koppelt, wobei der optische Phasenschieber auf dem Lichtleiter zwischen dem primären und dem sekundären 3- dB- Optokoppler- Glied zur Feinjustage der optischen Weglänge des Lichtleiters angeordnet ist, wobei die primären und sekundären 3- dB- Optokoppler- Glieder (101, 102) jeweils eine optische Komponente mit geführten Wellen gemäß Anspruch 1 sind, wobei die beiden oder die mehrfach vorhandenen Lichtleiter nach Anspruch 1 in der Komponente aus den beiden Lichtleitern (103, 104) des optischen Schalters bestehen, und die zur Bildung zweier Richtkoppler (101a, 101b; 102a, 102b) an zwei Stellen in kurzer Entfernung zueinander angeordnet sind, und wobei der Lichtleiter in dem primären 3- dB Optokoppler- Glied mit der größeren effektiven optischen Weglänge von dem Lichtleiter in dem sekundären 3- dB- Optokoppler- Glied mit der größeren wirksamen optischen Weglänge verschieden ist.

10. Optischer Schalter mit geführten Wellen, nach Anspruch 9, dessen Lichtleiter auf einem Substrat (100) angeordnet sind.

11. Optischer Schalter mit geführten Wellen, nach Anspruch 9, dessen optische Wellenleiter aus Lichtleitfasern bestehen.

12. Optischer Schalter mit geführten Wellen, nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Koppelverhältnisse der beiden Richtkoppler unterschiedlich von einander eingestellt sind und bei dem die Koppelzone des primären 3- dB- Optokoppler- Gliedes und der Koppelzone des sekundären 3- dB- Optokoppler- Gliedes im wesentlichen mittensymmetrisch in Hinsicht auf den Mittelpunkt zwischen den beiden 3- dB - Optokoppler- Gliedern angeordnet sind.