DE69023028T2

DE69023028T2 - Bauelement für die adiabatische Veränderung der Polarisation.

Info

Publication number: DE69023028T2
Application number: DE1990623028
Authority: DE
Inventors: Charles Howard Henry; Rudolf Feogor Kazarinov; Yosi Shani
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-03-23
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: EP0389172A3; JPH02275402A; EP0389172A2; HK34196A; JP2644060B2; EP0389172B1; DE69023028D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft TE-TM-Polarisations- Beeinflussungsvorrichtungen (beispielsweise Teiler-, Kombinierer- oder Filter-vorrichtungen) und insbesonders integrierte Optik-Ausführungen derartiger Vorrichtungen, die aus substratgetragenen Dünnfilmwellenleitern konstruiert sind.
Bei vielen wichtigen Anwendungen, wie in Empfängern von kohärenten Lichtwellen und polarisationsunabhängigen optischen Isolatoren und Zirkulatoren ist es bei einigen Konfigurationen notig, den transversalen elektrischen (TE) Mode von dem transversal magnetischen (TM) Mode zu trennen. In Konfigurationen, bei denen Volumenoptiken verwendet werden, ist die Polarisationsteilereinrichtung typischerweise ein doppeibrechender Kalkspat-Würfel, aber derartige Volumeneinrichtungen weisen Probleme in der mechanischen und thermischen Stabilität auf. Außerdem sind sie generell ungeeignet für die integrierte Optik, wo Konfigurationen mit höherem Entwicklungsstand ausgeführt werden, um eine geringe Ausdehnung und eine Verträglichkeit mit Komponenten der integrierten Optik (beispielsweise Halbleiterlaser und Photodioden) zu erzielen.
Ein Polarisationsteiler mit integrierter Optik wurde durch M. Masuda et al in einem Aufsatz An Optical TE-TM Mode Splitter Using a LiNbO&sub3; Branching Waveguide", (Applied Physics Letters, Band 37, Nr. 1, Seite 20 (1980) vorgeschlagen. Diese Vorrichtung umfaßt lineare Multimode- Wellenleitersegmente aus Lithiumniobat, die in der Gestalt eines Y ausgebildet sind. Um den Fundamentalmode anzuregen war ein Prismenkoppler erforderlich. Der Kern des gesamten Wellenleiters wurde aus Ti-diffundiertem LiNbO&sub3; hergestellt, aber die Hälfte des Hauptwellenleiters (aus axialer Sicht) und einer der Zweige wurde mit einem dielektrischen Film (Al&sub2;O&sub3;) und einer Metallelektrode darüber ummantelt; die andere Hälfte des Hauptwellenleiters und der andere Zweig wiesen keine derartige Ummantelung auf. Infolge der Teilummantelung mit dem dielektrischen Film hatte der ummantelte halbe Wellenleiter einen größeren Brechungsindex als die nicht ummantelten Hälfte. Bei fehlender, an die Elektrode angelegter Spannung, war sowohl der TE- als auch der TM-Mode in der ummantelten Hälfte des Hauptwellenleiters eingeschlossen. Wenn eine ausreichend große Spannung zum Überwinden des Brechingsindexunterschiedes zwischen den Hälften des Hauptleiters für den ZZ-Mode angelegt wurde (beispielsweise 20 Volt), fand der Einschluß des ZZ-Modes in der nichtummantelten Hälfte des Hauptleiters statt. Aber der TM-Mode war noch in der ummantelte Hälfte eingeschlossen, da dieser weniger empfindlich bezüglich der Spannung war als der TE-Mode. Somit war ein TE-TM-Modeteilen durch Anlegen einer geeigneten Spannung möglich. Beispielsweise breitete sich der TE-Mode in dem nichtummantelten Zweig des Y aus, während sich der TM-Mode in dem ummantelten Zweig des y fortpflanzte. Das Extinktionsverhältnis war jedoch vergleichsweise gering (< 10db).
Diese Bauart der Modeteilervorrichtung ist unvorteilhaft und hinterläßt viele ungelöste Probleme: (1) sie ist eine aktive Vorrichtung, die das Anlegen einer verhältnismäßig großen Spannung verbunden mit der Notwendigkeit für eine Stromversorgung und deren zugehörigem Kostenaufwand erfordert; (2) sie ist nicht in den für die integrierte Optik bevorzugten Halbleitern und Dielektrika wie Siliziumverbindungen oder Gruppe III-V-Verbindungen sondern vielmehr in LiNbO&sub3; hergestellt; (3) sie verwendet einen einzelnen Prismenkoppler, um den fundamentalen Mode anzuregen; (4) die Y-Verzweigung weist einen großen Verzweigungswinkel von 2,86 Grad auf; diese ist deshalb nicht adiabatisch; d.h., es werden in den Ausgangszweigen andere Moden als der fundamentale Mode angeregt; und (5) ist sie unvereinbar mit der Einmoden-Wellenleitertechnologie.
Andererseits beschreibt H. Yajima in Applied Physics Letters, Band 22, Nr. 12, Seiten 647-649 (1973), einen optischen Dünnfilm-Verzweigungs-Glaswellenleiter, welcher auf den Effekt des großen Winkels zwischen den verzweigenden Wellenleitern gerichtet ist. Eine dreilagige Struktur von Glas-SiO&sub2;-Glas wurde auf ein Substrat so aufgesputtert, daß sich die Kante der SiO&sub2;-Schicht mit einer Steigung von 1:500 verjüngte. Aus dieser flachen Verjüngung kann gefolgert werden, daß der Modenübergang zwischen dem Glas- Hauptwellenleiter (Arm Nr. 1) und den verzweigenden Glaswellenleitern (Arm Nr. 2 und Nr. 3) adiabatisch ist. Sowohl das Modenfiltern als auch die Modenumwandlung wurde für TE-Moden beobachtet, aber das Modenteilen, -Kombinieren oder -Filtern zwischen TE- und TM-Moden wurde weder beobachtet noch nahegelegt.
Somit verbleibt ein Bedürfnis an einem integrierten Polarisationsteiler und den sich daraus ergebenden Polarisationskombinierern und Filtern, welche die verbleibenden Probleme des Standes der Technik vermindern.
Die JP-A-59-102203 beschreibt (als Stand der Technik) eine Polarisations-Trennungsvorrichtung, die einen in einem Lithiumniobatsubstrat mit A-Schnitt gebildeten Y- förmigen optischen Wellenleiter umfaßt. Ein Zweig des Y ist mit Silber und der andere mit Titan dotiert. Der Fuß ist sowohl mit Silber als auch mit Titan dotiert. Eine derartige Vorrichtung ist auch in Transactions of the IECE of Japan, Band E68, Nr. 2, Februar 1985, offenbart.
Die US-A-4763977, US-A-4701009 und das IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-11, Nr. 1, Januar 1975, offenbaren verschiedene Formen von adiabatischen Wellenleiterverzweigungen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine polarisationsbeeinflussende Vorrichtung aus wenigstens zwei substratgetragenen Dünnfilmwellenleitern mit Kernen unterschiedlicher Materialien und unterschiedlichen Brechungsindizes hergestellt. Eine 3-Port-Ausführung der Vorrichtung weist einen ersten Abschnitt auf, welcher einen ersten Wellenleiterkern umfaßt, einen zweiten Abschnitt mit wenigstens einem Paar von Zweigen, wo die Kerne physikalisch getrennt und optisch voneinander entkoppelt sind, einen Übergangsabschnitt, wo die Kerne überlappen und sich dann allmählich voneinander trennen, um so den ersten Abschnitt mit dem zweiten Abschnitt adiabatisch zu koppeln. Die Brechungsindizes der Kemmaterialien sind so ausgelegt, daß bei Betrachtung der Wellenleitermoden des "Systems" (d.h. bei der als Ganzes gesehenen Kombination der Wellenleiter) ein Zweig des zweiten Abschnittes den höchsten effektiven Brechungsindex für den TE-Mode aufweist und der andere Zweig den höchsten effektiven Brechungsindex für den TM-Mode besitzt.
Der Ausdruck adiabatisch bedeutet, daß, sobald ein Systemmode für einen relativ hohen Brechungsindex angeregt ist, die Energie in diesem Mode verbleibt und nicht in einen Systemmode für einen niedrigeren Brechungsindex (und umgekehrt) umgewandelt wird, obwohl der Wellenleiter und/oder der Mode mit dem Erleiden des adiabatischen Übergangs die Form und/oder den Brechungsindex ändern können/kann. Dieses Prinzip und die Beziehung zwischen den Wellenleitermoden und den Systemmoden wird im folgenden ausführlich erklärt.
In einer Ausführungsform eines Polarisationsteilers gemäß der Erfindung ist der erste Abschnitt ein Eingangsabschnitt und die Zweige des zweiten Abschnittes sind Ausgangszweige. Andererseits ist in einer Polarisationskombinier- oder Filtervorrichtung der erste Abschnitt ein Ausgangsabschnitt und die Zweige des zweiten Abschnittes sind Eingangszweige. Wenn diese als Kombinierer arbeitet, kombinieren die TE- und TM-Moden in dem Übergangsabschnitt und pflanzen sich aus dem Ausgangsabschnitt heraus fort, aber als Filter wird jeder an den Eingangszweig angelegter Mode (TE oder TM), für den nicht sein höchster effektiver Brechungsindex vorliegt, aus der Vorrichtung heraus abgestrahlt und es breitet sich keine merklich Energie im Ausgangsabschnitt aus, vorausgesetzt, daß der Ausgangsabschnitt entweder (1) ausgelegt ist um den Mode nicht zu tragen, oder (2) an eine Vorrichtung gekoppelt ist (z.B. eine Einmodenfaser), welche diesen Mode nicht trägt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ende einer der Wellenleiter im Übergangsabschnitt adiabatisch verjüngt.
In einer "Optischen Bank"-Siliziumtechnologie weisen die Dünnfilmwellenleiter vorteilhafterweise Silika- Ummantelungen und entweder dotierte Silikakerne oder Siliziumnitridkerne oder beides auf.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist eine 4-Port-Vorrichtung, die die oben beschriebene 3-Port- Vorrichtung zusammen mit einem anderen Paar von Dünnfilmwellenleiterzweigen aufnimmt, das an den ersten Abschnitt gekoppelt ist. Einer dieser Zweige weist sowohl für die TE- als auch für die TM-Moden einen höheren effektiven Brechungsindex als der andere auf. Als Folge werden TE- oder TM-Modensignale entweder direkt durch die Vorrichtung von einem Eingangsport zu einem unmittelbar gegenüberliegenden Ausgangsport gekoppelt, oder sie werden über einen Überkreuzungspfad von einem Eingangsport zu einem diagonal gegenüberliegenden Ausgangsport gekoppelt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung, zusammen mit ihren verschiedenen Merkmalen und Vorteilen, kann leicht anhand der folgenden ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen im Interesse der Einfachheit und Klarheit die Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben sind.
Fig. 1 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung einer 3-Port-Polarisationsteiler-, Kombinierer- oder Filtervorrichtung gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Zum Zwecke der Klarheit der Darstellung ist die obere Ummantelungsschicht nicht gezeigt, um so die darunterliegenden Kerne aufzudecken.
Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung des ersten (z.B. Eingangs-) Abschnitts 14 und eines Zweiges 10.2 des zweiten (z.B. Ausgangs-) Abschnitts der Fig. 1 entlang der Linie 2-2, jedoch mit hinzugefügter Ummantelung 10.4 zum Zwecke der Vollständigkeit.
Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung des Zweiges 12.2 des zweiten (z.B. Ausgangs-) Abschnitts der Fig. 1 entlang der Linie 3-3, jedoch mit hinzugefügter Ummantelung 12.4 zum Zwecke der Vollständigkeit.
Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung des Übergangsabschnittes 18 der Fig. 1 entlang der Linie 4-4, jedoch mit hinzugefügter Ummantelung 10.4, 12.4 zum Zwecke der Vollständigkeit.
Fig. 5 ist eine für das Erklären des Betriebs einer Ausführungsform der Erfindung zweckmäßige Darstellung des effektiven Brechungsindexes in Abhängigkeit der Kerndicke eines doppelbrechenden Dünnfilmwellenleiters.
Fig. 6, Teil D ist eine schematische Aufsichtsdarstellung der Wellenleiterkerne der Fig. 1, wobei die Teile A bis C und E bis H den effektiven Brechungsindex für die verschiedenen Moden der Vorrichtung in unterschiedlichen Abschnitten der Struktur zeigen.
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer 4-Port- Polarisationsteiler-, Kombinierer- oder Filtereinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung der Fig. 7, in der zum Zwecke der Klarheit der Darstellung die obere Ummantelung nicht gezeigt ist, um so die darunterliegenden Kerne aufzudecken.
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, wie sich der effektive Brechungsindex n für den Mode entlang der Ausbreitungsrichtung (z) in der Vorrichtung der Fig. 8 verändert.
Fig. 10 ist eine Querschnittsdarstellung des Übergangsabschnitts 118 der Fig. 8 entlang der Linie 10-10, jedoch mit hinzugefügter Ummantelung 112 zum Zwecke der Vollständigkeit.
Die Fig. 11 und 12 zeigen die einem Teilchen in einem Kastenpotential zugeordneten quantenmechanischen Moden für einen abrupten Übergang in das Potential V (Fig. 11) und für einen allmählichen (adiabatischen) Übergang (Fig. 12).
Fig. 13 zeigt die dem effektiven Brechungsindex n des in einem dielektrischen Wellenleiter sich ausbreitenden Lichtes zugeordnete Moden; es ist zweckmäßig festzulegen, den Ausdruck "adiabatisch" für einen allmählichen Übergang der Wellenleiterparameter zu verwenden.

Ausführliche Beschreibung Adiabatische Übergänge

Vor dem ausführlichen Diskutieren der Erfindung ist es hilfreich, den Ausdruck "adiabatisch" zu definieren. Hierzu wird eine Analogie zwischen den Energieniveaus eines Teilchens in einem Kasten (d.h. in einer Potentialmulde) und den transversalen Moden des sich in einem dielektrischen Wellenleiter ausbreitenden Lichtes (d.h. in einer Brechungsindexmulde) hergestellt. Diese beiden Phänomene können durch ähnliche Schrödinger-Gleichungen beschrieben werden, wobei das Potential V durch den Brechungsindex n ersetzt wird.
Im allgemeinen wird ein Übergang im quantenmechanischem Sinne als adiabatisch bezeichnet, wenn die Energieniveaubesetzung (die Modenbesetzung im optischen Fall) beim Durchlaufen des Übergangs erhalten bleibt. Der Übergang muß allmählich stattfinden, nicht abrupt, damit dieser adiabatisch ist. Betrachten wir zuerst eine nicht- adiabatische, abrupte Änderung des einem Teilchen zugeordnete Kastenpotential, wie das in Fig. 11 gezeigte. Am Anfang befindet sich die ganze Energie des Teilchens in einem fundamentalen Mode (Fig. 11, Teil A), aber nachdem sich das Potential (der Boden des Kastens) abrupt erhöht, wird die Energie des Teilchens in mehr als in einen Mode aufgeteilt (in veranschaulichender Weise in drei Moden, Fig. 11, Teil B). Die Folge 81 im Gegensatz dazu, eines adiabatischen Überganges eines Potentials für das gleiche Teilchen ist in Fig. 12, Teil B dargestellt; im Idealfall befindet sich die ganze anfänglich in einem fundamentalen Mode untergebrachte Energie (Fig. 12, Teil A) nach dem Übergang noch vollständig in dem fundamentalen Mode (Fig. 12, Teil B). Die letzte Figur veranschaulicht auch, daß, obwohl die Potentialmulde mehr als einen Mode tragen kann, Energie nicht in all den Moden vorhanden sein muß.
Um diese Analogie auf die Prinzipien der Lichtausbreitung in dielektrischen Wellenleitern auszudehnen, wird die Aufmerksamkeit auf Fig. 13 gerichtet. Wie vorher nehmen wir an, daß anfänglich die ganze in z- Richtung sich ausbreitende Energie in einem fundamentalen transversalen Mode enthalten ist (Fig. 13, Teil A). Nachdem ein Wellenleiterparameter (z.B. Breite, Dicke, Brechungsindex - der letzte ist in Fig. 13 dargestellt) einen Übergang erfahren hat, wird die Frage aufgestellt: Unter welchen Bedingungen ist der Übergang adiabatisch; d.h. unter welchen (idealen) Bedingungen wird die ganze Energie in einem fundamentalen Mode verbleiben.
Um diese Frage zu beantworten, werden zwei sich in einem dielektrischen Wellenleiter in der z-Richtung ausbreitende Lichtwellen M&sub0; und M&sub0; betrachtet, wie in Fig. 13, Teil B gezeigt. Die Ausbreitung des fundamentalen Modes M&sub0; ist durch ei β0 z dargestellt und die des Modes erster Ordnung M&sub0; durch ei β1 z, wobei die Ausbreitungskonstante β = 2πn/λ ist. Somit ist M&sub0;, aufgrund seines höheren Brechungsindexes (n&sub0;> n&sub1;) als der von M&sub0;, mit einer kleineren Wellenlänge in dem Dielektrika dargestellt. Diese zwei Wellen werden nicht miteinander koppeln (d.h. untereinander Energie übertragen), bis eine ausreichend abrupte Störung eines Wellenleiterparameters auftritt, um deren Unterschied in den Ausbreitungskonstanten Δβ = β&sub0; - β&sub1; auszugleichen. Bei einem idealen adiabatischen Übergang ist die Störung ausreichend graduell, so daß kein derartiger Ausgleich für Δβ stattfindet und daher kein Koppeln zwischen den Moden auftritt. Die Bedeutung von "ausreichend graduell" ist im Hinblick auf die Länge der Überlagerung L zwischen den Moden festgelegt, wobei L proportional zu 1/Δβ ist. Damit die Anderungen (Störungen) adiabatisch sind, sollten diese über eine im Vergleich zu L große Strecke auftreten. Beispielsweise sollte in einer Verzweigungswellenleiterstruktur, wenigstens dort, wo die Wellenleiter noch miteinander gekoppelt sind, der anfängliche Verzweigungswinkel kleiner als etwa 1 Grad sein; oder die Verjüngung der Breite eines Wellenleiters sollte ähnlich kleine Winkel aufweisen. Eine Folge dieses Prinzips ist es daß, wenn die Wellenleiter so ausgelegt sind, daß sie ein stärkeres Modeteilen aufweisen (d.h. ein größeres Δβ), die Länge der Überlagerung dann kürzer sein wird und die Parameterübergänge als adiabatisch über eine kürzere Strecke erzwungen werden können, was bedeutet, daß kleinere für integrierte Verbindungen geeignete adiabatische Vorrichtungen ausführbar sind.

3-Port-Vorrichtung:

Obwohl die Erfindung passive optische Polarisationsteiler-, Kombinierer- und/oder Filtervorrichtungen betrifft, wird anfänglich zum Zwecke der Einfachheit nur eine 3 -Port-Polarisationsteilervorrichtung in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 beschrieben. Durch Zuwendung auf Fig. 1 ist dort eine derartige Polarisationsteilervorrichtung gezeigt, die aus wenigstens zwei substratgetragenen Dünnfilmwellenleitern 10 und 12 mit den Kernen 10.1 bzw. 12.1 hergestellt ist, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Wellenleiter können so ausgelegt sein, daß sie nur einen einzelnen (d.h. fundamentalen) Mode oder mehrere Moden tragen, aber im letzteren Fall ist es zu bevorzugen, daß ein anderer Teil der/des Vorrichtung/Systems die Moden höherer Ordnung herausfiltert. Diese Filterfunktion kann beispielsweise durch eine an den (die) Multimode-Wellenleiter gekoppelte optische Einmodenfaser ausgeführt werden.
Im Sinne der Definition weist die TE-Polarisation ein transversales elektrische Feld parallel zu dem Substrat auf, während die TM-Polarisation ein transversales elektrisches Feld senkrecht zu dem Substrat besitzt.
Zurückkommend auf Fig. 1 weist die Vorrichtung einen ersten (d.h. Eingangs-) Abschnitt 14 auf, welcher einen Wellenleiterkern 10.2 umfaßt, wie in Fig. 2 gezeigt, einen zweiten (d.h. Ausgangs-) Abschnitt 16, in dem die Kerne physikalisch getrennt und optisch entkoppelt sind, einen Übergangsabschnitt 18, in dem die Kerne überlappen und dann allmählich voneinander getrennt werden, um so adiabatisch den Eingangsabschnitt 14 an den Ausgangsabschnitt 16 zu koppeln.
Die Brechungsindizes der Kemmaterialien sind so bemessen, daß, wenn TE- und TM-Moden in dem Eingangsabschnitt wie durch die aus der optischen Faser 20 eingekoppelte Strahlung angeregt werden, im wesentlichen nur der TM-Mode in den Ausgangszweig 10.2 gekoppelt wird und im wesentlichen nur der TE-Mode in den Ausgangszweig 12.2 gekoppelt wird. Im besonderen wird diese Art des TE-TM- Polarisationsteilens unter der Voraussetzung erreicht, daß die Doppelbrechung des Wellenleiters 12 größer ist als die des Wellenleiters 10 und dessen Doppelbrechung, falls vorhanden, überspannt, so daß
nTM12 < (nTM10, nTE10) < nTE12, (1)
wobei n der effektive Brechungsindex, TMi und TEi die fundamentalen transversal magnetischen und elektrischen optischen Moden in dem iten (i=10,12) Wellenleiter bezeichnen. Die Brechungsindizes des Wellenleiters 10 liegen vorzugsweise in der Mitte zwischen denen des Wellenleiters 12. Diese Ausführung verstärkt die Wirkungsfähigkeit des adiabatischen Übergangs, die von dem Brechungsindexunterschied zwischen den Wellenleitern für eine gegebene Polarisation abhängt. Diese "mittige" Bauart stellt sicher, daß das Übersprechen, ein Koppeln von unerwünschter Polarisation in einen einzelnen Ausgangswellenleiter, um etwa den gleichen Betrag in beiden Ausgangswellenleitern unterdrückt wird.
Obwohl es nicht wesentlich ist, ist es vorteilhaft, wenn Dünnfilmwellenleiter vorliegen, welche annähernd polarisationsunabhängig sind, um mit herkömmlichen polarisationsunabhängigen Fasern zusammenzupassen. Diese Eigenschaften werden erreicht, wenn die Wellenleiter nahezu rechtwinklige Kerne oder geringe Unterschiede im Brechungsindex des Kerns und der Ummantelung aufweisen. Somit ist der Wellenleiter 10 nahezu polarisationsunabhängig, aber der Wellenleiter 12 ist stark polarisationsabhängig. Diese Situation ist in Fig. 5 dargestellt. Die Linien 50 und 52 stellen den Brechungsindex der TE- bzw. TM-Moden im Wellenleiter 10 dar. Dadurch, daß die Linien 50 und 52 annähernd übereinstimmen, wird angezeigt, daß der Wellenleiter 10 im wesentlichen polarisationsunabhängig ist (d.h. er weist, falls überhaupt, eine geringe Doppelbrechung auf). Andererseits stellen die Linien 54 und 56 die Brechungsindizes der TE- und TM-Moden des Wellenleiters 12 dar. Da die Linien 54 und 56 divergieren, wird die starke Abhängigkeit von der Dicke des Kerns angezeigt.
Damit die Doppelbrechung des Wellenleiters 12 die des Wellenleiters 10 überspannt, müssen jedoch die Wellenleiter so ausgelegt sein, daß die Vorrichtungsparameter zwischen die Überkreuzungspunkte 60 und 62 fallen; d.h. fur einen besonderen Satz von Materialien und Abmessungen sollte der Wellenleiter 12 eine Dicke zwischen etwa dc1 und dc2 aufweisen. Für einen Einmodenbetrieb ist es wünschenswert, daß die Dicke nicht so groß ist, daß der Wellenleiter 12 mehr als einen Mode trägt.
Vorausgesetzt daß das obige Kriterium erfüllt ist, können die Wellenleiter in dem Übergangsabschnitt 18 in einer bevorzugten Ausführungsform der Fig. 1 entsprechend einer der verschiedenen mathematischen Beziehungen mit dem Abstand adiabatisch voneinander getrennt werden; beispielsweise ergibt entweder eine lineare oder eine cosinusförmige (d.h. im wesentlichen quadratische) Beziehung in den Zonen 10.5 und 12.5 ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform verjüngt sich die Spitze 12.6 des Kerns eines Wellenleiters 12 in dem Übergangsabschnitt 18 in der Richtung zum Eingang des Eingangsabschnittes 14 adiabatisch auf im wesentlichen Null. Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Spitze des Kerns eine sich verjüngende Breite auf, jedoch kann die Dicke der Spitze des Kerns 12.1 stattdessen verjüngt sein, oder zusätzlich zur Breite. Wie vorstehend hinsichtlich der Art und Weise, wie sich die Wellenleiter trennen, erörtert wurde, kann sich die Abmessung der sich verjüngenden Spitze im wesentlichen quadratisch oder linear mit der Entfernung entlang der Richtung der Modenausbreitung verändern.
Beim Betrieb einer Mehrmodenausführung unterstützt der Wellenleiter 10.2 im Eingangsabschnitt 14 sowohl den fundamentalen Mode M&sub0; als auch den Mode erster Ordnung M&sub1;, wie in Fig. 6, Teil A sowohl für TE als auch für TM gezeigt ist. Sowohl M&sub0; als auch M&sub1; liegen unterhalb des oberen Endes 70 der Potentialmulde, die durch das n versus -Profil bestimmt ist. Obwohl der Wellenleiter 10.2 ein Mehrmoden- Wellenleiter ist, sollte Strahlung aus einer derartigen Quelle wie eine optische Faser 20 so an den Wellenleiter gekoppelt und ausgerichtet sein, daß nur M&sub0; und nicht M&sub1; im Wellenleiter angeregt wird. Es ist jedoch zu beachten, daß der Wellenleiter des Eingangsabschnittes 14 als Einmodenwellenleiter ausgelegt sein kann; beispielsweise durch Herstellen einer ausreichend flachen Potentialmulde, so daß M&sub1; über dem neuen oberen Ende 70' der Mulde liegt; d.h. in diesem Fall wird M&sub1; kein gebundener Mode sein und daher aus dem Wellenleiter 10.2 herausgestrahlt.
Im Ausgangsabschnitt 16, in dem die Wellenleiter vollständig getrennt sind, sind die Moden für den Wellenleiter 12 in Fig. 6, Teil E für TM und Teil G für TE gezeigt. In ähnlicher Weise sind die Moden des Wellenleiters 10 in Fig. 6, Teil F für TM und Teil H für TE gezeigt. Es ist zu beachten, daß jeder Wellenleiter als mehr als eine Mode tragend dargestellt ist, ausgenommen für den TM-Mode im Wellenleiter 12, für den nur zum Zwecke der Erläuterung der Teil E anzeigt, daß nur der fundamentale Mode gebunden ist (dieser Wellenleiter kann jedoch auch mehrmodig für TM sein). Wenn der Eingangsbereich 14 jedoch wie oben beschrieben aus einem Einmodenwellenleiter hergestellt ist, dann ist es auch der Wellenleiter 10.2 des Ausgangsabschnitts 16, da der Wellenleiter 10.2 in diesen beiden Abschnitten den gleichen Kern und die gleiche Ummantelung aufweist. Folglich stellt Fig. 6, Teil F und H dar, daß nur M&sub0; in dem Ausgangsabschnitt gebunden ist, genauso wie Teil A darstellt, daß nur dieser Mode im Eingangsabschnitt gebunden ist.
Ein Vergleich nur der vier fundamentalen Moden M&sub0; der Fig. 6, Teile E bis H, läßt erkennen, daß im Ausgangsabschnitt 16 der Wellenleiter 12, der doppelbrechend ist, den höchsten effektiven Brechungsindex für TE (Teil G) und den niedrigsten für TM (Teil E) aufweist, wohingegen der Wellenleiter 10, der nicht doppelbrechend ist, effektive Brechungsindizes für TM (Teil F) und TE (Teil H) aufweist, die etwa gleich sind. Außerdem zeigen die relativen Lagen der vier Moden, daß die effektiven Brechungsindizes des Wellenleiters 12 für die fundamentalen Moden die des Wellenleiters 10 überspannen, wie durch Gleichung 1 gefordert wird. Wenn somit ein Lichtwellensignal mit beliebiger Polarisation und fundamentalem Mode an den Eingangsabschnitt 14 angelegt wird, dann wird die TM- Polarisation zum Ausgangswellenleiter 10.2 gekoppelt und die TE-Polarisation wird zum Ausgangswellenleiter 12.2 gekoppelt. Wenn umgekehrt die folgende Bedingung durch die Wellenleiter 10 und 12 erfüllt ist,
nTE12 < (nTE10, nTM10) < nTM12, (2)
dann wird die TM-Polarisation zum Ausgangswellenleiter 12.2 gekoppelt und die TE-Polarisation wird zum Ausgangswellenleiter 10.2 gekoppelt.
Andererseits dient die Vorrichtung der Fig. 1 als TE/TM-Polarisationskombinierer durch einfaches Umkehren der Richtung der Signale ; d.h. durch Anlegen eines Signals mit TE-Polarisation als Eingangssignal an den Wellenleiter 12.2 im Abschnitt 16 und ein Signal mit TM-Polarisation als Eingangssignal an den Wellenleiter 10.2 im Abschnitt 16. Unter diesen Umständen kombinieren die zwei Signale im Übergangsabschnitt 18 und pflanzen sich durch den Abschnitt 14 nach außen fort.
Wie vorstehend bemerkt, arbeitet die Vorrichtung der Fig. 1 jedoch auch als Polarisationsfilter wenn ein Signal mit TE-Polarisation als Eingangssignal an den Wellenleiter 10.2 im Abschnitt 16 angelegt wird oder ein Signal mit TM- Polarisation als Eingangssignal an den Wellenleiter 10.2 im Abschnitt 16 angelegt wird, oder beide angelegt werden. Unter diesen Umständen wird jedes der angelegten Signale aus der Vorrichtung herausgestrahlt (d.h. sie werden sich nicht durch die Vorrichtung hindurch als gebundene Moden fortpflanzen), vorausgesetzt, daß entweder (1) der Wellenleiter 10.2 im Abschnitt 14 als nur einen einzelnen (fundamentalen) Mode tragend ausgelegt ist, wie durch Auswählen der Brechungsindizes und der Abmessungen, so daß das obere Ende der Potentialmulde in Fig. 6, Teil A bei 70' liegt; oder (2) falls der Wellenleiter 10.2 im Abschnitt 14 viele Moden trägt, dann durch richtiges Koppeln dieses Wellenleiters an eine Einmodenvorrichtung (eine derartige wie eine Einmodenf aser> , so daß nur der fundamentale Mode in die Vorrichtung (Faser) eintreten kann.
Um die Filterfunktion zu verstehen, ist es nützlich, den Begriff der Gesamt-"System"-Moden im Vergleich mit einzelnen Wellenleitermoden zu definieren. Bei den Systemmoden ist es erforderlich, die Vorrichtung als Ganzes zu betrachten und die Moden entsprechend ihrem zugeordneten effektiven Brechungsindex einzustufen. Unter Berücksichtigung der Vorrichtung der Fig. 6, Teile G und H, wird dort der Brechungsindex nTE von vier TE-Moden gegen die Abmessung x für den Wellenleiter 12 (Teil G) und den Wellenleiter 10 (Teil H) aufgetragen. Die TE- Wellenleitermoden können wie folgend eingestuft werden: Der Mode entsprechend der höchsten Brechkraft ist der fundamentale Mode M&sub0;(12) des Wellenleiters 12; der Mode entsprechend der zweithöchsten ist der fundamentale Mode M&sub0;(10) des Wellenleiters 10; der Mode entsprechend der dritthöchsten ist der Mode erster Ordnung M&sub1;(12), und der Mode entsprechend der niedrigsten Brechkraft ist der Mode erster Ordnung M&sub1;(10). Diese TE-Wellenleitermoden entsprechen der Reihe nach dem fundamentalen TE-Systemmode, dem TE- Systemmode erster Ordnung, zweiter Ordnung und dritter Ordnung, wie folgend:
TE-Wellenleitermode TE-Systemmode
M&sub0;(12) T M&sub0;
M&sub0;(10) T M&sub1;
M&sub1;(12) T M&sub2;
M&sub1;(10) T M&sub3;
Diese Entsprechung der Wellenleiter- und Systemmoden läßt jedoch nicht auf Gleichheit schließen. D.h. ein fundamentaler TE-Wellenleitermode, wie M&sub0;(10), der zu einem TE-Systemmode höherer Ordnung wird, wie M&sub1;, ändert in Abschnitten der Vorrichtung, in denen die Wellenleiter optisch aneinander gekoppelt sind, d.h. im Übergangsabschnitt 18 in dem die Wellenleiter überlappen, seine Gaußsche Form in eine zweilappige Form (Fig. 6, Teil B> . Diese Umformungen sind in der obigen Tabelle wie auch in Fig. 6, Teil b gezeigt, die auch die TE-Systemmodenformen für M&sub0; bis M&sub3; darstellt.
Die drei TM-Wellenleitermoden in Fig. 6, Teile E und F, können in ähnlicher Art eingeordnet werden, um die entsprechenden Systemmoden zu definieren. Nur zwei TM- Systemmoden M&sub0; und M&sub1; sind jedoch in Fig. 6, Teil C, gezeigt, um die Tatsache zu veranschaulichen, daß der Mode dritter Ordnung M&sub2; (und jeder höhere) über dem oberen Ende 70 der Potentialmulde liegen kann und daher nicht gebunden ist.
Ein vollständiges Verstehen der Filterfunktion erfordert auch ein Verständnis des Zusammenhangs zwischen den Systemmoden und dem adiabatischen Prinzip. Wie schon beschrieben, legt letzteres fest, daß, falls die Kopplung zwischen Wellenleitern genügend graduell erfolgt, dann die Energie eines einmal irgendwo in der Vorrichtung angeregten bestimmten Svstemmodes in diesem Mode verbleibt und nicht in einen anderen Systemmode umgewandelt wird, auch wenn der Wellenleiter und/oder der Mode die Form ändert/ändern. Beispielsweise wird angenommen, daß der fundamentale TE- Wellenleitermode M&sub0;(10) (Fig. 6, Teil H) im Wellenleiter 10.2 des Abschnittes 16 angeregt ist. Wie in der obigen Tabelle angezeigt, entspricht dieser Wellenleitermode M&sub0;(10) dem TE- Systemmode erster Ordnung M&sub1;. Wenn sich M&sub0;(10) durch den adiabatischen Übergangsabschnitt 18 hindurch ausbreitet, wird seine Gaußsche Form (Fig. 6, Teil H) in die zweilappige Form des TE-Systemmodes erster Ordnung M&sub1; (Fig. 6, Teil B) umgewandelt. Es ist zu beachten, daß sich seine Eigenschaften als ein TE-Systemmode erster Ordnung nicht geändert haben. Er verbleibt ebenfalls als Systemmode erster Ordnung, wenn er die adiabatische Verjüngung 12.6 durchquert und tritt als TE-Mode erster Ordnung M&sub1; (Fig. 6, Teil A) aus dem Abschnitt 14 aus. Es wird bemerkt, daß im Abschnitt 14, der ein einzelner Wellenleiter ist, die Wellenleitermoden identisch mit den Systemmoden sind.
Wenn der TE-Systemmode M&sub1; in den Abschnitt 14 eintritt, wird er sich fortpflanzen, falls der Mode getragen wird; d.h. wenn, wie in Fig. 6 gezeigt der M&sub1; zugeordnete effektive Brechungsindex unterhalb des oberen Endes 70 dieser Potenialmulde liegt. Falls dies andererseits nicht der Fall ist, falls der effektive Brechungsindex über dem oberen Ende 70' liegt, wird M&sub1; sich dann nicht im Wellenleiter 10.2 des Abschnittes 14 ausbreiten (d.h. wird nicht geführt); vielmehr wird er aus dem Wellenleiter heraus abgestrahlt und kein bedeutender Energiebetrag von M&sub1; wird den Port 1 erreichen. Somit wird ein als Eingangssignal an den Wellenleiter 10 über den Port 2 angelegter TE- Wellenleitermode M&sub1;(10) zu einem TE-Systemmode M&sub1; umgewandelt und wirksam gefiltert. Durch Anlegen eines TM- Wellenleitermodes M&sub0;(12) als Eingangssignal an den Wellenleiter 12 über den Port 4 kann erreicht werden, daß ein entsprechendes Filtern stattfindet.
Dieses Merkmal der Erfindung kann auch in Doppel- Filteranwendungen eingesetzt sein, in denen beispielsweise jeder Ausgangszweig 10.2 und 12.2 der Fig. 1 einen überlappenden Wellenleiter besitzt, der eine einzelne Polarisationsvorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Bauart bildet.

Beisdiel

Eine anschauliche Ausführungsform der Erfindung für die Realisierung mit der "Optischen Bank"- Siliziumtechnologie geht von einem Siliziumsubstrat 30 aus (Fig. 2 bis 4), auf das eine Silikaschicht (SiO&sub2;) 10.3, 12.3 durch eine bekannte Oxidationstechnik (beispielsweise die Hochdruck-Dampfoxidation, die im amerikanischen Sprachgebrauch als "high pressure stream oxidation" bezeichnet wird) mit einer beispielhaften Dicke im Bereich von etwa 10 bis 15 um abgeschieden wird. Nachfolgend wird eine Siliziumnitridschicht durch eine bekannte Technik (z.B. Niederdruck-CVD) mit einer beispielhaften Dicke im Bereich von etwa 300-600 Angström abgeschieden und dann unter Verwendung von gewöhnlichen photolitographischen Verarbeitungstechniken mit einem Muster versehen, um in den gewünschten Bereichen die Dünnfilmkerne 12.1 (Fig. 3, 4) der Siliziumnitrid-Wellenleiter zu bilden. Eine beispielhafte Breite des Kerns liegt im Bereich von etwa 4 bis 8 um. Als nächstes wird dotiertes Silika auch durch eine bekannte Technik (z.B. Niederdruck-CVD) mit einer beispielhaften Dicke im Bereich von etwa 2 bis 6 um abgeschieden und dann wie oben mit einem Muster versehen, um in den gewünschten Bereichen die Dünnfilmkerne 10.1 (Fig. 2, 4) der Silika- Wellenleiter zu bilden. Die Dicken des Silikakerns 10.1 und der Brechungsindex des Kerns 10.1 sind vorzugsweise relativ zu denen der Ummantelung 10.3 wechselseitig angepaßt, um sicherzustellen, daß die Silika-Wellenleiter im wesentlichen polarisationsunabhängig sind. Der Silikakern 10.1 ist typischerweise mit Phosphor mit einem beispielhaften Dotiergrad im Bereich von etwa 4 bis 8 Gewichtsprozent dotiert; dieses Kemmaterial wird gelegentlich als Phosphosilikatglas oder P-Glas bezeichnet. Schließlich wird eine obere Ummantelungsschicht 10.4, 12.4 aus Silika bzw. Quarz- oder Silikatgias mit einer Dicke im beispielhaften Bereich von ungefähr 3 bis 20 um unter veranschaulichender Verwendung der gleichen Technik wie sie für den Silikakern 10.1 benutzt wurde, abgeschieden. Die Ummantelung besitzt jedoch einen Phosphorgehalt in einem beispielhaften Bereich von etwa 0 bis 2 Gewichtsprozent Phosphor und weist daher einen niedrigeren Brechungsindex auf. Typischerweise besitzen die oberen Ummantelungsschichten 10.4, 12.4 und die Silika-Schicht 10.3, die auch als eine (untere) Ummantelung wirkt, etwa den gleichen Brechungsindex.
Beispielhaft wird folgender Satz von Parametern angenommen: Ein P-Glaskern 10.1, der 6 um breit, 4 um dick ist und 6,5 Gewichtsprozent P aufweist; ein Siliziumnitridkern 12.1, der bei einer Dicke von 500 Angström 6 um breit ist; eine obere Silika-Ummantelung 10.4, 12.4, die 5 um dick ist und 0 Gewichtsprozent P aufweist; und eine untere Silika-Ummantelung 10.3, 12.3, die 15 um dick ist. Unter Verwendung des bekannten Berechnungsverfahrens für den effektiven Brechungsindex und der Wellenlänge λ = 1,55 um, berechnet sich für den P- Glaskern
nTM = 1,4492 und nTE = 1,4492 (3)
und für den Siliziumnitridkern
nTM = 1,4468 und nTE = 1,4534 (4)
für den fundamentalen Mode in allen Fällen. Somit überspannen die Brechungsindizes des Siliziumnitridkerns die des P-Glaskerns wie in Fig. 5 gezeigt und durch Gleichung 1 festgelegt ist. Durch geeignete Wahl der Dicke (d.h. dh) des Siliziumnitridkerns kann erreicht werden, daß die Brechungsindizes des P-Glaskerns etwa in die Mitte zwischen denen des Siliziumnitridkerns fallen, was wegen der oben erwähnten Gründe bevorzugt wird. Es ist zu bemerken, daß die Prinzipien unverändert bleiben, obwohl eine geringe spannungsinduzierte Doppelbrechung in der Größenordnung von 0,0005 in den obigen Berechnungen vernachlässigt wurde.
Es ist zur Kenntnis zu nehmen, daß die oben beschriebenen Anordnungen lediglich erläuternd für viele mögliche bestimmte Ausführungsformen sind, die vorstellbar sind, die Anwendung der Prinzipien der Erfindung zu verkörpern. Zahlreiche und verschiedene andere Anordnungen gemäß dieser Prinzipien sind für Fachleute auf dem Gebiet ohne Abweichung vom Charakter und Rahmen der Erfindung vorstellbar. Insbesonders können in einem symmetrischen, polarisationsunabhängigen kohärenten Lichtwel lenempfänger zwei Polarisationsteiler verwendet werden; nachdem die Signal- und die Lokaloszillatorquellen in einem 3 dB-Koppler gemischt wurden, werden die Teiler benutzt, um die gemischten Signale zu verschiedenen optischen Detektoren für die TE- und für die TM-Moden zu senden. Obwohl bei der Realisierung der Erfindung die "Optische Bank"- Siliziumtechnologie hervorgehoben wurde, ist es sofort offensichtlich, daß die Technologie der Gruppe II-V- Verbindungen ebenso verwendet werden kann. Schließlich kann die oben beschriebene 3-Port-Vorrichtung in eine 4-Port- Vorrichtung des unten beschriebenen Typs eingebaut werden.

4-Port-Vorrichtung

Durch Zuwenden auf die Fig. 7 bis 10 wird dort eine 4-Port-Polarisationsteiler- oder Kombinierervorrichtung 100 gezeigt, die in optischen Zirkulatoren besonders nützlich ist. Die 4-Port-Vorrichtung 100 umfaßt Eingangs/Ausgangs- Ports 1 und 3, an die die Wellenleiter 108.1 und 110 gekoppelt sind, und Eingangs/Ausgangs-Ports 2 und 4, an die die Wellenleiter 106 und 108.4 gekoppelt sind. Die Wellenleiter 106, 108.1 und 108.4 bilden eine 3-Port- Vorrichtung des anfänglich beschriebenen Typs mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6, abgesehen von einigen Unterschieden: (1) die Ports 2 und 4 wurden gegeneinander ausgetauscht (d.h. der Wellenleiter 106 weist seinen höchsten effektiven Brechungsindex für den fundamentalen TE-Mode auf, während der Wellenleiter 108.4 seinen höchsten Brechungsindex für den fundamentalen TM-Mode besitzt); (2) die Wellenleiter in den Eingangs/Ausgangs-Abschnitten 114/116 tragen entweder einen einzelnen (fundamentalen) Mode oder falls sie mehrere Moden tragen, werden die Moden höherer Ordnung durch Stripping oder dadurch, daß nur der fundamentale Mode in einer Signalmodenvorrichtung (beispielsweise eine Faser) an den Ausgangsport gekoppelt wird, entfernt; und (3) die Wellenleiter 108.1 und 110, gekoppelt an die Ports 1 bzw. 3, sind adiabatisch an den Mittelabschnitt 119 gekoppelt. Der Wellenleiter 110 weist sowohl für die TE- als auch für die TM-Moden einen niedrigeren effektiven Brechungsindex auf, als der des Wellenleiters 108.1. Im Gegensatz dazu überspannt der effektive Brechungsindex des Wellenleiters 106 wie in der 3-Port-Vorrichtung den des Wellenleiters 108.4. Diese Beziehungen zwischen den Brechungsindizes sind in Fig. 9 dargestellt, in der die flachen Abschnitte der Kurven den isolierten Wellenleitern entsprechen und die höckerförmigen Abschnitte den überlappenden Wellenleitern entsprechen. Um den adiabatischen Prinzip zu genügen, ist es notwendig, daß sich die zwei durchgezogenen Kurven über die Länge der Vorrichtung nicht überschneiden. Dies gilt ebenfalls für die zwei gestrichelten Kurven.
Wie in Fig. 1 ist der Wellenleiter 106 der Fig. 8 als in eine adiabatisch im Mittelbereich 119 abschließende Verjüngung 106.1 dargestellt. Der Wellenleiter 110 ist ebenfalls als in eine adiabatisch abschließende Verjüngung 110.1 dargestellt. Die Verjüngungen werden immer bevorzugt, wenn benachbarte Wellenleiterkerne aus verschiedenen Materialien hergestellt sind (beispielsweise P-Glas und SiNx).
Die Nomenklatur des hohen (H) und niedrigen (L) Brechungsindexes der Fig. 7 bis 8 wird wie folgend festgelegt: (1) durch jeden mit H beschrifteten Wellenleiter wird ein fundamentaler Systemmode im Mittelbereich angeregt, während durch jeden mit L beschrifteten Wellenleiter ein Systemmode erster Ordnung angeregt wird; (2) der mit H(TM/TE) beschriftete Wellenleiter 108.1 besitzt sowohl für TM als auch für TE höhere effektive Brechungsindizes als der mit L (TM/TE) beschrifteten Wellenleiter 110 für die entsprechenden Moden; siehe die linke Seite der Fig. 8; (3) der mit L(TM) und H(TE) beschriftete Wellenleiter 106 weist einen niedrigeren effektiven Brechungsindex für den TM-Mode auf als der mit H(TM) beschriftete Wellenleiter 108.4, aber einen höheren effektiven Brechungsindex für den TE-Mode als der auch mit L(TE) beschriftete Wellenleiter 108.4; siehe die rechte Seite der Fig. 8. Es ist zu beachten, daß H(TM) und H(TE), wie gezeigt, annähernd gleich verlaufen können.
Diese Nomenklatur ist für das Verständnis nützlich, wie Lichtwellensignale durch die 4-Port-Vorrichtung geführt werden. Der grundlegende Algorithmus ist wie folgt: wenn ein Signal mit einer bestimmten Polarisation (z.B. TE) in einen mit H beschrifteten Port eintritt, wird es aus dem gegenüberliegenden Port, der auch mit H beschriftet ist und die gleiche Polarisation trägt (d.h. ein mit H(TE) bezeichneter Wellenleiter) austreten. Wenn umgekehrt ein Signal mit einer bestimmten Polarisation in einen mit L beschrifteten Port eintritt, wird es aus einem gegenüberliegenden Port, der auch mit L beschriftet ist und die gleiche Polarisation trägt, austreten. Wenn somit ein TE-Signal in den Port 4 eintritt, liegt es auf dem Wellenleiter 108.4, der mit L(TE) beschriftet ist. Dieses Signal wird aus dem direkt gegenüberliegenden Port 3 austreten, da der Wellenleiter 110 mit L(TM/TE) beschriftet ist, was sowohl L(TE) als auch L(TM) umfaßt. Wenn in ähnlicher Weise ein TM-Mode in den Port 4 des mit H(TM) beschrifteten Wellenleiters 108.4 eintritt, breitet er sich durch den mit H(TM/TE) beschrifteten Wellenleiter 108.1 aus und tritt aus dem diagonal gegenüberliegenden Port 1 aus.
Wenn umgekehrt ein Signal mit einem TE-Mode in den Port 1 eintritt, tritt dieses aus dem direkt gegenüberliegenden Port 2 aus, aber ein in Port 1 eintretender TM-Mode geht über und tritt aus dem diagonal gegenüberliegenden Port 4 aus. Wenn ebenfalls ein TE-Mode in den Port 3 eintritt, tritt er aus dem direkt gegenüberliegenden Port 4 aus, aber ein in Port 3 eintretender TM-Mode geht über und tritt aus dem diagonal gegenüberliegenden Port 2 aus. Welcher Mode als übergehend eingerichtet wird, wie der TM-Mode im obigen Beispiel, hängt von der Konstruktion und dem Layout der Wellenleiter ab. Das bloße gegenseitige Austauschen des Wellenleiters 106 mit dem Wellenleiter 108.4 verursacht, daß der TE-Mode übergeht und der TM-Mode direkt hindurch verläuft.
Die Struktur der Wellenleiter der Fig. 7 ist in der Querschnittsdarstellung der Fig. 10 erläutert, in der die Ummantelungsschicht 112 (in Fig. 7 zum Zwecke der Klarheit weggelassen) hinzugefügt ist. Auf ein Siliziumsubstrat 102 wird eine untere Silika-Ummantelungsschicht 104 gebildet und dann der Stapel von drei Kernen 106 (SiNx mit dem höchsten Brechungsindex der drei), 108 (P-Glas mit einem entsprechend der Wellenleiter 108.1 und 108.4 in der Mitte liegenden Brechungsindex) und 110 (niedriger dotiertes P-Glas mit dem niedrigsten Brechungsindex). Es ist zu bemerken, daß die Wellenleiter 110 und 108 während der Herstellung von dem gleichen Kern ausgehen können, aber die Phosphorkonzentration (und daher der Brechungsindex) des Wellenleiters 110 kann selektiv verändert werden durch Abdecken des Wellenleiters 108, so daß während des Aufheizens mehr Phosphor aus dem Kern des Wellenleiters 110 als aus dem Kern des Wellenleiters 108 ausgetrieben wird. Eine andere Möglichkeit ist es, den Wellenleiter 110 mit einem vergleichsweise dünnen Kern aus P-Glas herzustellen und die Wellenleiter 108.1 und 108.4 mit einem dickeren Kern aus P-Glas herzustellen, so daß nur ein Brechungsindex für P-Glas verwendet wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Beeinflussung der Polarisation von Lichtwellensignalen, umfassend:

ein Substrat,

einen ersten und einen zweiten Dünnfilmwellenleiter (10, 12), die durch das Substrat getragen sind,

wobei der erste Wellenleiter einen ersten Kern (10.1) und eine den Kern umgebende Ummantelung hat, und wobei der zweite Wellenleiter einen zweiten Kern (12.1) und eine den zweiten Kern umgebende Ummantelung hat,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung einen ersten Abschnitt (14) aufweist, der den ersten Kern (10.2), jedoch nicht den zweiten Kern umfaßt,

daß die Einrichtung einen zweiten Abschnitt (16) hat, bei welchem die Wellenleiter optisch entkoppelt und voneinander getrennt sind,

wobei die Einrichtung einen ersten Übergangsabschnitt (18) hat, in welchem sich der erste und der zweite Kern überlappen und dann allmählich trennen, um so den ersten und die zweiten Abschnitte aneinander adiabatisch zu koppeln, wobei der erste Übergangsabschnitt mehr als einen transversalen Mode tragen kann,

wobei der erste und der zweite Kern (10.1, 12.1) verschiedene Materialien mit verschiedenem effektivem Brechungsindex haben, wobei die Brechungsindices und Abmessungen der Kerne wechselseitig so angepaßt sind, daß

1) wenn Strahlung in den ersten Abschnitt (18) gekoppelt wird, der TM-Mode zum ersten Wellenleiter (10) im zweiten Abschnitt (16) gekoppelt wird, und der TE-Mode zum zweiten Wellenleiter (12) im zweiten Abschnitt (16) gekoppelt wird, oder

2) wenn ein TM-Mode in den ersten Wellenleiter (10) und/oder ein TE-Mode in den zweiten Wellenleiter (12) gekoppelt wird, die Moden in dem Übergangsabschnitt (18) kombinieren und sich in den ersten Abschnitt (14 oder 13) ausbreiten oder

3) wenn ein TM-Mode in den zweiten Wellenleiter (12) und/oder ein TE-Mode in den ersten Wellenleiter (10) gekoppelt wird, die Moden aus dem Übergangsabschnitt (18) so abstrahlen, daß sich kein wesentlicher Energiebetrag der Moden in dem ersten Abschnitt (14) ausbreitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,

bei welcher die Brechungsindices und die Abmessungen der Kerne wechselweise so angepaßt sind, daß

nTM12 < (nTM&sub1;, nTE1) < nTE2 ,

wobei n der effektive Brechungsindex und TMi und TEi den fundamentalen, transversalten, magnetischen und elektrischen Wellenleitermode im i-ten (i=1,2) Wellenleiter bezeichnen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Übergangsabschnitt einen ersten Bereich umfaßt, bei welchem die Wellenleiter allmählich sich voneinander zu trennen beginnen, wobei die Trennung im ersten Bereich einem im wesentlichen quadratischen oder linearen Verhältnis zum Abstand entlang der Richtung der Modenausbreitung folgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der zweite Kern im übergangsabschnitt einen Endabschnitt in Form einer Spitze aufweist, die sich adiabatisch auf im wesentlichen Null verjüngt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Abmessung der Spitze einen im wesentlichen quadratischen oder linearen Verhältnis mit dem Abstand entlang der Richtung der Modenausbreitung folgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher der erste Kern eine erste Siliciumzusammensetzung und der zweite Kern eine zweite Siliciumzusammensetzung umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die erste Zusammensetzung dotiertes Silica oder Quarzglas und die zweite Zusammensetzung Siliciumnitrid umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1,

ferner umfassend einen dritten und einen vierten Dünnfilmwellenleiter, der durch das Substrat getragen ist, wobei der dritte Wellenleiter einen dritten Kern und eine den dritten Kern umgebende Umantelung hat, wobei der vierte Wellenleiter einen vierten Kern und eine den vierten Kern umgebende Ummantelung hat, wobei der dritte und der vierte Wellenleiter sich zum ersten Abschnitt erstrecken, in welchem diese ineinander übergehen und der dritte und der vierte Kern überlappen, wobei der dritte und der vierte Wellenleiter einen dritten Abschnitt haben, in welchem der dritte und der vierte Wellenleiter optisch entkoppelt und voneinander getrennt sind,

wobei der erste Abschnitt einen zweiten Übergangsabschnitt aufweist, der zusammen mit dem ersten Übergangsabschnitt den dritten Abschnitt und den ersten Abschnitt adiabatisch miteinander koppeln und der mehr als einen transversalen Mode tragen kann, und die effektiven Brechungsindices und Abmessungen der Kerne wechselweise so angepaßt sind, daß

1) der Brechungsindex des fundamentalen TM- Wellenleitermodes in einem von dem ersten und dem zweiten Wellenleiter größer als der andere ist und der Brechungsindex für den fundamentalen TE- Wellenleitermode entgegengesetzt niedriger in dem einen Wellenleiter als in dem anderen ist und

2) der Brechungsindex für beide, den fundamentalen TM- und TE-Wellenleitermode, größer in einem von dem dritten oder vierten Wellenleiter als in dem anderen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der dritte Kern eine Erweiterung des ersten Kerns ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der vierte Kern ein Material mit einem Brechungsindex umfaßt, der unterschiedlich zu demjenigen des ersten und des zweiten Kerns ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 8, in welcher der erste und der zweite übergangsabschnitt der Wellenleiter sich allmählich voneinander trennen, um so einen Winkel zwischen diesen auszubilden und wenigstens einen Anfangsbereich, in welchem die Wellenleiter noch optisch gekoppelt sind, wobei der Winkel weniger als ungefähr 1º ist.