DE69116979T2

DE69116979T2 - Polarisationsteiler für Wellenleiterlicht

Info

Publication number: DE69116979T2
Application number: DE69116979T
Authority: DE
Inventors: Luc Riviere
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 1990-10-31
Filing date: 1991-10-29
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: EP0484227B1; EP0484227A1; JPH04264531A; FR2668615B1; DE69116979D1; FR2668615A1; US5151957A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Polarisationsteiler für Wellenleiterlicht.
Sie findet Anwendungen in der integrierten Optik, beispielsweise in dem Bereich von Meßwertgebern mit optischen Fasern oder in dem Bereich der kohärenten Übermittlung von Informationen durch optische Monomodus-Fasern, wobei in diesen Bereichen der Polarisationszustand der verwendeten optischen Wellen ein sehr wichtiger Parameter ist.
In diesen Bereichen sind die Polarisationsteiler ("polarization beam splitters" gemäß der angelsächsischen Terminologie) wesentliche Vorrichtungen, die die räumliche Aufteilung der transversal-elektrischen Moden TE und der transversal-magnetischen Moden TM der verwendeten optischen Wellen erlauben.
Es sind bereits verschiedene Polarisationstelle für Wellenleiterlicht bekannt, die auf uniaxialen elektrooptischen Materialien und insbesondere auf LiNbO&sub3;:Ti ausgeführt sind.
Auf diesem letzteren Material, dessen kristallographische Achsen klassischerweise mit X, Y und Z bezeichnet werden, entsprechen die Achsen X und Y beide dem ordentlichen Brechungsindex des Materials, wohingegen die Z-Achse dem außerordentlichen Brechungs index dieses Materials entspricht, und es wurde schon ausgeführt:
- Richtungskoppler in Propagationskonfigurationen entlang der Achse X oder entlang der Achse Y (siehe das Dokument (1), das wie die anderen im folgenden genannten Dokumente am Ende der vorliegenden Beschreibung genannt ist),
- Vorrichtungen, welche Interferenzverfahren mit zwei Moden verwenden (siehe das Dokument (2)),
- Strukturen mit Y-Verzweigungen (siehe das Dokument (3)), und
- Teile mit Wellenleiterbereichen mit Ionenaustausch (siehe das Dokument (4)).
Aus dem Dokument (5) ist außerdem ein Richtungskoppler mit einem alternierenden delta-beta-Elektrodenaufbau bekannt, der auf einem Lithiumniobatsubstrat mit Doppelbrechungszuschnitt ausgeführt ist und der demnach als Polarisationsteiler eingesetzt werden kann.
Dieser Richtungskoppler, der schematisch in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt zwei Lichtleiter 2 und 4 mit konstanter Länge und zwei zueinander benachbarte Abschnitte, die jeweils eine Länge L/2 aufweisen, wobei L die Länge der Wechselwirkung des Kopplers wiedergibt.
Der Lichtleiter 2 (bzw. 4) ist mit einer Steuerelektrode 6 (bzw. 8) in einem der zwei Abschnitte und eine Steuerelektrode 10 (bzw. 12) in dem anderen Abschnitt versehen.
Das Steuerdiagramm des Kopplers von Fig. 1 ist teilweise in Fig. 2 gezeigt. Es wird daran erinnert, daß ein Steuerdiagramm eines Richtungskopplers in einer Markierung auf der Abszissenachse aufgezeichnet ist, welche den Parameter
delta beta .L/pi
umfaßt, wobei: pi die wohlbekannte Zahl ist, die ungefähr 3,1416 beträgt, L die Wechselwirkungslänge des Kopplers ist und delta beta (gewöhnlich mit griechischen Buchstaben auf den Figuren angegeben) der Unterschied zwischen den Propagationskonstanten ist, die jeweils mit den symmetrischen bzw. antisymmetrischen Propagationsmoden des Kopplers verbunden sind.
Auf der Ordinate der Markierung ist die Größe L/lc aufgetragen, wobei lc die Kopplungslänge des Kopplers wiedergibt.
Das Steuerdiagramm, das in Fig. 2 wiedergegeben ist, ist eine Gesamtheit von Kurven, die die Ordinatenachse als Symmetrieachse annehmen.
Die Kurven I, III, V entsprechen den Kreuzungszuständen des Kopplers, die durch das Zeichen x auf den Markierungsachsen markiert sind.
Die Kurven II, IV (Halbkreise) entsprechen den Parallelzuständen des Kopplers, die durch das Zeichen = auf der Markierungsachse markiert sind.
Eine Untersuchung der Matrix der elektrooptischen Koeffizienten rij des Lithiumniobats zeigt, daß für ein gegebenes elektrisches Feld, das entlang der Richtung der kristallographischen Achse Y anliegt, und eine Transversalwelle, die parallel zur Achse X propagiert die Phasenverschiebungen delta beta, welche durch den elektrooptischen Effekt auf den elektrischen fundamentalen transversalen Leitungsmoden TE und magnetischen transversalen fundamentalen Leitungsmoden TM induziert, werden in einem Verhältnis von ungefähr 3 stehen.
Betrachtet man folglich den Koppler von Fig. 1, der auf einem alternierenden delta-beta-Aufbau auf einem Lithiumniobatsubstrat ausgeführt ist, dessen Oberfläche senkrecht zur kristallographischen Achse Y liegt, dann propagiert die geleitete Welle parallel zur Achse X.
Es sei H der Punkt, der diesen Koppler bei der Abwesenheit eines angelegten Feldes wiedergibt (siehe Fig. 2). Dieser Punkt H liegt auf der Ordinate des Steuerdiagramms (delta beta = 0).
Wenn ein elektrisches Feld parallel zur Achse Y angelegt wird, dann nimmt der Koppler die beiden Darstellungspunkte A und B relativ zu den Leitermoden TE bzw. TM an. Aus der obigen Bemerkung schließt man:
HB = 3 HA
Wenn der Punkt II und der Wert des angelegten Feldes so gewählt sind, daß der Punkt A Teil der Kurve I wird und der Punkt B Teil der Kurve II wird, die jeweils gekreuzte Zustände bzw. parallele Zustände des Kopplers sind, dann erhält man die Teilung der polarisierten Wellen TE und TM: die optische Welle sei am Eingang 14 des Leiters 2 eingegeben (Fig. 1), die polarisierte Welle TM wird am Ende 16 des Leiters 2 erhalten und die polarisierte Welle TE wird am Ende 18 des Leiters 4 erhalten (der neben dem Ende 16 angeordnet ist).
Diese Ausführungsform hat zwei wichtige Nachteile:
- die richtige Funktion erfordert eine sehr genaue Wahl des Punktes H, d.h. des Verhältnisses L/lc des Kopplers: die technischen Toleranzen der Ausführung sind folglich sehr eng gesteckt;
- die obigen Ausführungen ergeben implizit, daß die Kurven I, II,...,V des Steuerdiagramms die gleichen sind für die Polarisationen TE und TM; dies ist im allgemeinen nicht der Fall, wobei die Kopplungslängen lc verschieden sind für die geleiteten Wellen TE und TM.
Aus dem Dokument (6) ist außerdem ein Polarisationsteiler bekannt, der schematisch in Fig. 3 wiedergegeben ist. Dieser bekannte Teiler umfaßt einen Phasenschieber 20, der die zwei Richtungskoppler 3dB mit den Bezugszeichen 22 und 24 miteinander verbindet.
Durch geeignete Polarisation des bekannten Teilers kann man jeweils an zwei Ausgängen 26 und 28 des Kopplers 24 die Moden TE bzw. TM einer Eingangslichtwelle erhalten, die an einem 30 der zwei Eingänge des Kopplers 22 ankommt.
Der bekannte Teiler zeigt den Nachteil, daß er Kompaktheit vermissen läßt, wobei seine Länge in der Größenordnung von 2 cm oder mehr liegt.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die obigen Nachteile zu beseitigen durch Bereitstellen eines Polarisationsteilers, der mit Elektroden ausgeführt werden kann, die sehr einfach geformt sind (Elektroden in Form von Bändern beispielsweise) und die in sehr kompakter Weise hergestellt werden können mit einer Länge von weniger als 5 mm.
Es ist aus Electronic Letters, Band 23, Nr. 21, Oktober 1987, Stevenage, GB, 5. 1145-1147; H. Okayama et al.: "Optically biased LiNbO&sub3; delta-beta reversal directional coupler switch", ein optischer Schalter bekannt, welcher einen Richtungskoppler mit alternierenden dellta-beta-Elektrodenaufbau. Um die Steuerspannung zu vermindern, wird eine optische Pola risation eingeführt durch Andern der Länge der optischen Wellenleiter des Kopplers in zwei seiner Abschnitte.
Genauer gesagt, hat die Erfindung einen Polarisationsteiler für Wellenleiterlicht zur Aufgabe, wobei der Teiler einen Richtungskoppler eines alternierenden delta-beta- Elektrodenaufbaus umfaßt, wobei dieser Koppler zwei einander benachbarte Abschnitte und zwei Lichtleiter umfaßt, wobei ein Ende von einem der zwei Leiter vorgesehen ist, eine Eingangslichtwelle aufzunehmen, die eine Kombination von zwei geleiteten optischen Moden ist, nämlich einer transversalen elektrischen Mode TE und einer transversalen magnetischen Mode TM, wobei der Teiler dadurch gekennzeichnet ist, daß der Koppler ausgeführt ist auf einem Substrat, das aus einem Material gefertigt ist, das einen Brechungsindex in Verbindung mit der TE-Mode und ein Brechungsindex in Verbindung mit der TM-Mode aufweist und daß das Einführen von entgegengesetzten Variationen der jeweiligen Brechungsindices erlaubt, und daß der Koppler zudem geeignet ist, bei Abwesenheit einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden eine deltabeta-Variation zwischen den Ausbreitungskonstanten entsprechend den jeweiligen symmetrischen und antisymmetrischen Ausbreitungsmoden des Kopplers einzuführen, wobei die Variationen einerseits unabhängig vom Polarisationszustand des Wellenleiterlichtes durch den Teiler sind und andererseits derart sind, daß der Punkt, der den Koppler auf dem Steuerdiagramm des letzteren wiedergibt, die Mitte eines Abschnittes ist, welcher parallel zur Achse der Abszissenmarkierung ist, auf welcher das Diagramm gezeichnet ist, und die durch zwei Punkte begrenzt ist, welche jeweils zu einer Kurve gehören, die dem gekreuzten Zustand des Kopplers entspricht, und einer Kurve entsprechend den parallelen Zuständen des Kopplers in der Weise, daß durch geeignete elektrische Polarisation des letzteren mal eine der zwei Moden TE und TM der Eingangslichtwelle am anderen Ende des Leiters, der die Eingangslichtwelle aufnimmt, und den anderen Mode am anderen Ende entsprechend dem anderen Leiter erhält.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Leiters gemäß der Erfindung unterliegen die jeweiligen Längen der Leiter jeweils einer Erhöhung und einer Verminderung in einem der zwei Kopplerabschnitte und jeweils einer identischen Verminderung zu der vorhergehenden und einer identischen Erhöhung zu der vorhergehenden in dem anderen Abschnitt, wobei die Erhöhungen und die Verminderungen in der Weise gewählt sind, daß man den Wiedergabepunkt des Kopplers erhält.
Der Teiler gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit einer Steuereinrichtung versehen sein, die eine Umschaltung der Moden TM bzw. TE erlaubt, welche an den entsprechenden Enden des Kopplers erhalten werden.
Die Variationen der Brechungsindices, die jeweils mit dem Modus TE bzw. dem Modus TM verbunden sind, können durch einen elektrooptischen Effekt induziert werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Teilers gemäß der Erfindung
- wird das Material des Substrates gewählt unter den Materialien, die zu der Gruppe mit trigonaler Kristallsymmetrie 3m gehören, wobei das Material des Substrates ein uniaxiales elektrooptisches Material ist, das drei kristallographische Achsen X, Y, Z aufweist, die senkrecht aufeinander stehen, wobei die Achsen X und Y dem ordentlichen Index No des Materials entsprechen, wohingegen die Achse Z dem außerordentlichen Index Ne dieses Materials entspricht,
- daß die Fläche des Substrates, auf welcher der Teiler gebildet ist, senkrecht zu einer der Achsen X und Y liegt, und
- der Teiler in der Weise gebildet ist, daß das Wellenleiterlicht sich parallel zur Achse Z in dem Teiler ausbreitet.
In der oben erwähnten Gruppe kann man LiNbO&sub3; auswählen. Demnach wird der Teiler auf LiNbO&sub3; mit Propagation Z, Schnitt X oder Schnitt Y ("X-cut oder Y-cut, Z-propagating LiNbO&sub3;" gemäß der angelsächsischen Terminologie) ausgeführt - siehe das Dokument (7).
Eine solche Konfiguration erlaubt eine beträchtliche Verminderung der modalen Doppelbrechung und vereinfacht das Konzept der Elektroden des Teilers in Bezug auf die Konfigurationen der Propagation X oder der Propagation Y.
In diesem Fall kann der Koppler durch lokale Diffusion von Ti, Ionenaustausch oder durch Implantation in LiNbO&sub3; ausgeführt werden.
Im gleichen Fall kann das Verhältnis der Wechselwirkungslänge L zur Kupplungslänge lc des Kopplers größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 3 sein.
Die vorliegende Erfindung wird leichter verstanden werden anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die nur zur Veranschaulichung und in keiner Weise zur Beschränkung gegeben sind, in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen:
- Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bekannten Polarisationsteilers ist, der einen Richtungskoppler des alternierenden d,β-Typs verwendet und schon beschrieben wurde,
- Fig. 2 einen Teil des Steuerdiagramms dieses Kopplers wiedergibt und schon beschrieben wurde,
- Fig. 3 eine schematische Ansicht eines anderen bekannten Polarisationsteilers ist und schon beschrieben wurde,
- Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Substrates zeigt, das aus einem Material gefertigt ist, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,
- Fig. 5 eine schematische Ansicht von unten auf eine besondere Ausführungsform des Polarisationsteilers gemäß der vorliegenden Erfindung ist, der einen Richtungskoppler des alternierenden delta-beta-Typs umfaßt,
- Fig. 6 einen Teil des Steuerdiagramms dieses Kopplers zeigt,
- Fig. 7 schematisch die mögliche Ausführung eines Teilers gemäß der Erfindung auf einem Material der Art LiNbO&sub3; mit Schnitt X, Propagation Z, zeigt,
- Fig. 8 schematisch die Möglichkeit einer Ausführung eines Teilers gemäß der Erfindung auf einem Material der Art LiNbO&sub3; mit Schnitt Y, Propagation Z, zeigt, und
- Fig. 9 eine schematische Schnittansicht eines Substrates ist, das aus einem anderen Material gefertigt ist, welches für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.
Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht eines Substrates 32, das aus einem elektrooptischen uniaxialen Material gefertigt ist, auf welchem es möglich ist, einen Teiler gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Dieses Material hat drei kristallographische Achsen X, Y und Z. Jede dieser Achsen steht senkrecht auf den beiden anderen.
Zudem entspricht jede der Achsen X und Y dem ordentlichen Index No des Materials, wohingegen die Achse Z dem außerordentlichen Index Ne dieses Materials entspricht.
Die Fläche 34 des Substrates 32, auf welcher der Teiler ausgeführt ist, steht senkrecht, entweder auf der Achse X oder auf der Achse Y.
In dem Fall von Fig. 4 ist der Teiler auf einer Fläche ausgeführt, die senkrecht zur Achse X steht.
Man sieht auf dieser Fig. 4 einen Teil 36 eines Wellenleiters, der zum Teiler gehört und der durch lokale Diffusion eines geeigneten Materials, durch Ionenaustausch oder durch Implantation in dem Substrat 32 ausgeführt ist.
Das elektrische Feld einer Lichtquelle, die in dem Teiler ankommt, wird in klassischer Weise als Summe von zwei Moden TE und TM senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtquelle, die im vorliegenden Fall parallel zur Z-Achse liegt, angesehen.
Zudem ist bekannt, daß die TE-Mode parallel zur Fläche 34 des Substrates liegt, wohingegen die TM-Mode senkrecht zu dieser Fläche 34 liegt.
Folglich ist in dem Fall, wo die Fläche 34 senkrecht zur Achse x liegt (Fall von Fig. 4) die TE-Mode auf der Achse Y und die TM-Mode auf der Achse X.
Selbstverständlich wäre in dem Fall, wo die Fläche des Substrates, auf welcher der Teiler ausgeführt ist, senkrecht zur Achse Y läge, die TE-Mode auf der Achse X und die TM-Mode auf der Achse Y.
In Fig. 5 ist schematisch und in Untenansicht eine besondere Ausführungsform des Teilers gemäß der Erfindung gezeigt.
Der Teiler gemäß der Erfindung, der schematisch in Fig. 5 wiedergegeben ist, ist auf einem Substrat 38 aus LiNbO&sub3; mit Schnitt X, Propagation Z, ausgeführt und umfaßt einen Richtungskoppler mit alternierendem delta-beta-Aufbau.
Der Koppler umfaßt in klassischer Weise zwei benachbarte Abschnitte 40 und 42 und zwei Wellenleiter 44 und 46, die im wesentlichen parallel liegen und nacheinander die beiden Abschnitte durchqueren und die hinreichend nahe beieinander liegen, um eine gegenseitige optische Kopplung zu erlauben.
Der Koppler von Fig. 5 ist mit Elektroden versehen, deren Polarisation die Anwendung von zueinander entgegengesetzten elektrischen Feldern auf die zwei Leiter in jedem Abschnitt erlaubt und in der Weise, daß für jeden Leiter die Felder, die jeweils in den zwei Abschnitten angelegt werden, zueinander entgegengesetzt sind.
In dem auf Fig. 5 gezeigten Beispiel umfaßt der Abschnitt 40 (bzw. 42) eine Elektrode 48 (bzw. 50), die zwischen den Leitern 44 und 46 liegt, und zwei Elektroden 52 und 54 (bzw. 56 und 58), die beiderseits der Gesamtheit der zwei Leiter angeordnet sind.
In der Untenansicht bilden die Elektroden 52 und 56 einfache ausgerichtete Bänder; ebenso ist es für die Elektroden 48 und 50 und für die Elektroden 54 und 58.
Es sind Steuermittel 60 und 62 vorgesehen, um die Elektroden 48 und 50 jeweils an die entgegengesetzten elektrischen Potentiale +V und -V anzulegen, wobei die anderen Elektroden 52, 54, 56 und 58 geerdet sind.
In einer nicht gezeigten Variante sind Steuermittel vorgesehen, um die Elektroden 52 und 54 an ein elektrisches Potential -V anzulegen und die Elektroden 56 und 58 an ein entgegengesetztes elektrisches Potential +V anzulegen, wobei die Elektroden 48 und 50 entsprechend geerdet sind.
Zudem können zwei ausgerichtete Elektroden, die auf Erde gesetzt sein müssen, selbstverständlich ersetzt werden durch eine einzige Elektrode, die geerdet ist, und die Oberfläche einnimmt, welche von den zwei Elektroden sowie von dem Raum zwischen den letzteren besetzt ist.
Auf Fig. 6 sieht man das Steuerdiagramm des Kopplers von Fig. 5, wobei in dem Diagramm die gekreuzten Zustände des Kopplers eine Gesamtheit von geschlossenen Kurven bilden, wie beispielsweise I, wobei die Ordinate als Symmetrieachse angenommen ist. Die parallelen Zustände des Kopplers bilden Halbkreise, wie beispielsweise II.
Der alternierende delta-beta-Koppler von Fig. 5 unterscheidet sich von den bekannten alternierenden delta-beta- Kopplern insbesondere durch die Tatsache, daß die Leiter 44 und 46 keine konstante Breite W aufweisen.
Für einen der Leiter ist diese Breite vergrößert in einem ersten Abschnitt und verkleinert in einem zweiten Abschnitt, wohingegen die Breite des anderen Leiters vermindert ist in dem ersten Abschnitt und erhöht ist in dem zweiten Abschnitt, wobei die Verminderungen identisch sind und auch die Erhöhungen identisch sind. So sieht man auf Fig. 5, daß die Breite des Leiters 44 (bzw. 46) einen Wert W1 größer als W annimmt (bzw. eine Breite W2 kleiner als W) in dem Abschnitt 40 und den Wert W2 (bzw. W1) in dem Abschnitt 42.
Diese Modifikationen der Breite, die man mittels geeigneter Masken bei der Herstellung des Kopplers erhält, führen dazu, daß der Koppler von Fig. 5 eine "passive Vorpolansation" aufweist: bei der Abwesenheit einer angelegten elektrischen Spannung zwischen den Elektroden ist der Wiedergabepunkt des Kopplers auf dem Diagramm von Fig. 6 nicht auf der Ordinate angeordnet (wo delta-beta gleich 0 ist), wie man es im Gegensatz dazu erhalten würde, wenn die Leiter 44 und 46 eine konstante Breite W aufweisen wiirden.
Es sei angenommen, daß der Wiedergabepunkt bei M1 liegt in dem ersten Quadranten des Systems von Fig. 6 auf einem Abschnitt parallel zur Abszisse und begrenzt durch die Punkte A1 und B1, welche jeweils zu den Kurven I (gekreuzte Zustände) bzw. II (parallele Zustände) gehören.
Die Anlegung von Spannungen +V und -V an den Koppler, die oben erwähnt wurden, führt zu einer Verschiebung des Wiedergabepunktes des Kopplers parallel zur Abszisse des Koordinatensystems auf die Gerade d, die durch die Punkte A1 und B1 geht.
Man kann auf diese Weise einen parallelen Zustand oder einen gekreuzten Zustand für die Moden TE und TM einer Lichtwelle erreichen, die in die Leiter an einem Ende geschickt werden.
Beispielsweise kann man einen gekreuzten Zustand (Punkt Al) für die Mode TE erhalten.
Zudem führt die Anlegung eines elektrischen Feldes an den Teiler mit Propagation Z ("Z-propagating splitter") von Fig. 5 für die Moden TE und TM zu delta-beta-Variationen (TE) und entgegengesetzten delta-beta-Variationen (TM).
In dem obigen Beispiel wäre der Wiedergabepunkt B1 der Mode TM folglich ein Punkt symmetrisch zu Punkt Al in Bezug auf den Punkt M1.
Wenn der Punkt A1 auf der Kurve I angeordnet ist (Ort der gekreuzten Zustände), dann ist es notwendig, zur Erhaltung einer räumlichen Trennung der polarisierten Wellen TE und TM, daß B1 auf der Kurve II angeordnet ist (Ort der parallelen Zustände).
Dies kann nur verwirklicht werden, wenn der Punkt Ml in der Mitte des Segmentes A1B1 liegt. Auf diese Weise erreicht man die Trennung der Moden TE und TM. Wenn beispielsweise die Lichtwelle (TE+TM) in den Leiter 44 am Ende 64, das neben dem Abschnitt 40 liegt, eingespeist wird, ist es möglich, durch entsprechende elektrische Polarisation des Kopplers die Mode TE am anderen Ende des Leiters 44 und die Mode TM am Ende des Leiters 46, das neben dem Abschnitt 42 liegt, zu erhalten.
Es ist in diesem Zusammenhang zu beachten, daß die Lichtwelle von einer nicht gezeigten optischen Faser stammen kann und in das Ende 64 des Leiters 44 mittels einer geeigneten Optik eingespeist werden kann, oder daß sie von einem nicht gezeigten Wellenleiter stammen kann, der auf der gleichen Fläche des Substrates wie der Teiler ausgeführt ist und der durch den Leiter 44 verlängert wird.
Zurück zu dem Diagramm von Fig. 6 ist zu bemerken, daß die Gesamtheit der Punkte, welche im halben Abstand von den Kurven I und II angeordnet sind und die Bedingung
1 ≤ L/lc ≤ 3 (1)
erfüllen, durch die zwei geschlossenen Kurven G1 und G2 gebildet werden, welche symmetrisch zueinander bezüglich der Ordinate sind.
Jeder der Punkte der Kurven G1 und G2 ist ein Punkt der passiven Vorpolarisation.
Für ein gegebenes Verhältnis L/lc, das die Bedingung (1) erfüllt, gibt es im allgemeinen vier Punkte der Vorpolarisation des Kopplers, welche es erlauben, eine Trennung der Moden (oder Trennung der Polarisationen) zu erhalten.
Beispielsweise für das Verhältnis L/lc, das der Geraden d entspricht, erhält man vier Punkte M1, M2, M3, M4, die man auf Fig. 6 sieht und die man schreiben kann:
M1A1 = M1B1, M2A2 = M2B1
M3A1 = M3B2 und M4A2 = M4B2.
Vorzugsweise wählt man die Punkte M1 und M4 als Punkte der Vorpolarisation, denn diese Punkte M1 und M4 erfordern eine delta-beta-Strecke und somit die Anlegung von Spannungen an den Koppler, die im Absolutbetrag kleiner sind als diejenigen, die von den Punkten M2 und M3 gefordert werden.
Man beachte ebenfalls, daß andere Punkte der Vorpolansation möglich sind aufgrund der Tatsache, daß das Diagramm von Fig. 6 andere Kurven (nicht gezeigt) umfaßt, entsprechend den Parallelzuständen für die einen und den gekreuzten Zuständen für die anderen (siehe Fig. 2).
In allgemeiner Weise sind die Punkte der Vorpolarisation angeordnet in Bereichen, die durch die Bedingung:
4k + l ≤ L/lc ≤ 4k + 3
definiert sind, wobei k eine positive ganze Zahl oder Null ist.
Dabei ist es im allgemeinen nicht vorteilhaft, mit einem beträchtlichen Verhältnis L/lc zu arbeiten.
Das ist der Grund, warum man vorzugsweise Punkte der Vorpolarisation in einem Bereich entsprechend zu k gleich wählt.
Um einen Polarisationsteiler auszuführen, in der Art, die in Bezug auf Fig. 5 beschrieben wurde, verfügt man über ein Steuerdiagramm, auf dessen Grundlage man die Kurven der Vorpolarisation, wie beispielsweise G1 und G2, zeichnen kann.
Man wählt das Verhältnis L/lc und von dort einen Punkt der Vorpolarisation, wie beispielsweise M1. Man ermittelt die passive delta-beta-Vorpolarisation, die erreicht werden soll, nachdem man L gewählt hat.
Diese passive Vorpolarisation kann empirisch oder durch Modulierung in Beziehung gesetzt werden mit den Breiten W1 und W2 der Leiter und mit ihren jeweiligen Indexprofilen.
Man sieht auf diese Weise, daß man die verschiedenen Parameter des Teilers bestimmen kann. Es ist zu beachten, daß der Teiler gemäß der Erfindung als Polarisationsschalter geeignet ist. Nimmt man das Beispiel des Teilers von Fig. 5, genügte dazu, Mittel 60 und 62 vorzusehen, die in der Lage sind, die Spannungen zu invertieren, welche an die Elektroden 48 bzw. 50 angelegt werden, für die Möglichkeit des Umschaltens der Polarisationen TE und TM zwischen den zwei Ausgangsenden des Kopplers von Fig. 5.
Andere Materialien als LiNbO&sub3; sind in der vorliegenden Erfindung verwendbar, wie beispielsweise das Material LiTaO&sub3; mit Schnitt X, Propagation Z.
Zudem kann man in der vorliegenden Erfindung anstelle der Verwendung eines Materials des Typs LiNbO&sub3; oder LiTaO&sub3; mit Schnitt X, Propagation Z, auch diese Materialien mit Schnitt Y, Propagation Z, verwenden.
In den beiden Fgllen ist es erforderlich, daß das elektrische Feld Eg, das an die Leiter g1, g2 des Teilers, welcher auf diesem Material ausgeführt wird (Fig. 7 und 8) entlang der Achse Y gelenkt wird.
In dem Fall eines Schnittes X müssen die Elektroden des Teilers, wie beispielsweise die Elektroden e1, e2, e3 (Fig. 7) demnach die Anlegung eines elektrischen Feldes parallel zur Oberfläche des Materials, auf welchem der Teiler ausgeführt ist, erlauben.
Man sieht auf Fig. 7, daß diese Elektroden e'1, e'2, e'3 auf der Oberfläche des Materials und beiderseits der Leiter g1, g2 angeordnet werden können.
In dem Fall eines Schnittes Y müssen die Elektroden des Teilers, wie beispielsweise die Elektroden e'1, e'2, e'3 (Fig. 8) die Anlegung eines elektrischen Feldes Eg erlauben, das senkrecht zur Oberfläche des Materials, auf welchem der Teiler ausgeführt ist, steht.
Man sieht auf Fig. 8, daß diese Elektroden e'1, e'2, e'3 auf der Oberfläche des Materials angeordnet werden können, wobei die Elektroden e'1 und e'3 auf den Leitern gl und 92 liegen, und die Elektrode e'2 zwischen diesen Leitern angeordnet ist.
Schließlich sind in der vorliegenden Erfindung andere Materialien, wie diejenigen, die zur Familie des LiNbO&sub3; gehören, verwendbar.
Man kann einen Teiler gemäß der Erfindung auf einem Substrat ausführen, das aus jedem Material gefertigt sein kann, das die Induzierung von entgegengesetzten Variationen DN und -DN in Bezug auf den Brechungsindex, welcher mit der Mode TE verbunden ist, und auf den Brechungsindex, der mit der Mode TM verbunden ist (diese Moden TE und TM entsprechen der Lichtwelle, die am Eingang des Teilers auftritt) erlauben.
Ebenso kann man Galhumarsenit GaAs verwenden, was ein Halbleiter ist, der zur Gruppe der kubischen Kristalisymmetrien 43m gehört.
Als Beispiel:
- verwendet man ein Substrat 66 (Fig. 9) aus GaAs,
- die Fläche 68 dieses Substrates, auf welche der Teiler ausgeführt ist, von dem man einen Teil 70 auf Fig. 9 sieht, steht senkrecht zur kristallographischen Achse 110 ,
- jedes elektrische Feld E1, das für die Funktion des Teilers notwendig ist, wird entlang der Achse 110 und demnach senkrecht zum Substrat angelegt,
- die Richtung der Propagation des geleiteten Lichts ist parallel zur Achse 001 .
Unter diesen Bedingungen ist die Mode TM entlang der Achse 110 polarisiert und die Mode TE ist entlang der Achse 110 polarisiert.
In diesem Beispiel haben die Brechungsindices NTE und NTM, die jeweils mit den Moden TE und TM verbunden sind, die folgenden Ausdrücke:
NTE = n&sub0; - 1/2.n³&sub0;.r&sub4;&sub1;. E1
NTM = n&sub0; + 1/2.n³&sub0;.r&sub4;&sub1;. E1 ,
wobei E1 den Betrag von E1 wiedergibt, r&sub4;&sub1; den einzigen Koeffizienten, der nicht Null ist, des elektrooptischen Sensors von GaAs wiedergibt, und n&sub0; den gemeinsamen Wert von NTE und NTM bei der Abwesenheit des Feldes E1 wiedergibt.
Man beachte, daß die Variationen von NTE und NTM, die durch elektrooptischen Effekt induziert werden, entgegengesetzt sind.

ZITIERTE DOKUMENTE

(1) GRANESTRAND, THYLEN, STOLTZ, Electron. Lett., 24, Nr. 18, 1142 (1988), "Polarisation independent switch and polarisation splitter employing delta beta and delta kappa modulation"
(2) PAPUCHON, ROY, OSTROWSKY, Appl. Phys. Lett., 31, 266 (1977), "Electrically active optical bifurcation BOA"
(3) FINAK, YIP, Opt. Quant. El., 17, 15 (1985)
(4) FUJII, HIDAKA, Proc. 4. 100C, TOKYO, (1983) 29A1-4, "LiNbO&sub3; optical waveguide fabricated by the ionexchange technique and its application to TE/TM mode splitter"
(5) K. HABARA, Electron. Lett., Band 23, Nr. 12, 4. Juni 1987, 5. 614, "Lithium niobate directional coupler polarisation splitter"
(6) CHUNG, CHIANG, Optics and Lasers Technology, April 1983, 5. 83 bis 90
(7) BOURBIN, ENARD, WERNER, VATOUX, PAPUCHON, 5th International Conference on Integrated Optics, ECIO'89, "A polarisation splitter in integrated optics".

Claims

1. Polarisationsteiler für Wellenleiterlicht, wobei der Teiler einen Richtungskoppler (39) eines alternierenden Delta-Beta-Elektrodenaufbaus umfaßt, wobei dieser Koppler zwei einander benachbarte Abschnitte (40,42) und zwei Lichtleiter (44,46) umfaßt, wobei ein Ende (64) von einem (44) der zwei Leiter vorgesehen ist, eine Eingangslichtwelle aufzunehmen, die eine Kombination von zwei geleiteten optischen Moden ist, nämlich einer transversalen elektrischen Mode TE und einer transversalen magnetischen Mode TM, wobei der Teiler dadurch gekennzeichnet ist, daß der Koppler ausgeführt ist auf einem Substrat (38), das aus einem Material gefertigt ist, das einen Brechungsindex in Verbindung mit der TE-Mode und einen Brechungsindex in Verbindung mit der TM-Mode aufweist und das die Einführen von entgegengesetzten Variationen der jeweiligen Brechungsindizes erlaubt, und daß der Koppler zudem geeignet ist, bei Abwesenheit einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden eine Delta-Beta-Variation zwischen den Ausbreitungskonstanten entsprechend den jeweiligen symmetrischen und antisymmetrischen Ausbreitungsmoden des Kopplers einzuführen, wobei die Variationen einerseits unabhängig vom Polarisationszustand des Wellenleiterlichtes durch den Teiler sind, und andererseits derart sind, daß der Punkt (M1;M2;M3;M4), der den Koppler auf dem Steuerdiagramm des letzteren wiedergibt, die Mitte eines Segmentes ist, welches parallel zur Achse der Abszissenmarkierung ist, auf welcher das Diagramm gezeichnet ist und die durch zwei Punkte (A1, B1; A2, B1; A1, B2; A2, B2) begrenzt ist, welche jeweils zu einer Kurve (1) gehören, die dem gekreuzten Zustand des Kopplers entspricht und einer Kurve (II) entsprechend den parallelen Zuständen des Kopplers in der Weise, daß durch geeignete elektrische Polarisation des letzteren man eine der zwei Moden TE und TM der Eingangslichtwelle am anderen Ende des Leiters (44), der die Eingangslichtwelle aufnimmt, und den anderen Mode am anderen Ende entsprechend dem anderen Leiter erhält.

2. Polarisationsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Längen der Leiter (44, 46) jeweils einer Erhöhung und einer Verminderung in einem (40) der zwei Kopplerabschnitte und jeweils einer identischen Verminderung zu der vorhergehenden und einer identischen Erhöhung zu der vorhergehenden in dem anderen Abschnitt (42) unterliegen, wobei die Erhöhungen und die Verminderungen in der Weise gewählt sind, daß man den Wiedergabepunkt des Kopplers erhält.

3. Polarisationsteiler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Steuereinrichtung (60,62) versehen ist, die eine Umschaltung der Moden TM beziehungsweise TE erlaubt, welcher an den entsprechenden Enden des Kopplers erhalten werden.

4. Polarisationsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Variationen der Brechungsindizes durch einen elektro-optischen Effekt induziert werden.

5. Polarisationsteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Substrates (38) gewählt wird unter den Materialien, die zu der Gruppe mit trigonaler Kristallsymmetrie 3 m gehört, wobei das Material des Substrates ein uni-axiales, elektro-optisches Material ist, das drei kristallographische Achsen X, Y, Z aufweist, die senkrecht aufeinanderstehen, wobei die Achsen X und Y bei dem ordentlichen Index No des Materials entsprechen, wohingegen die Achse Z dem außerordentlichen Index Ne dieses Materials entspricht, daß die Fläche des Substrats, auf welcher der Teiler gebildet ist, senkrecht zu einer der Achsen X und Y liegt und daß der Teiler in der Weise gebildet ist, daß das Wellenleiterlicht sich parallel zur Achse Z in dem Teiler ausbreitet.

6. Polarisationsteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Substrates (38) LiNbO&sub3; ist.

7. Polarisationsteiler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler (39) ausgeführt wird durch lokale Diffusion von Ti, Ionenaustausch oder durch Implantation in LiNbO&sub3;.

8. Polarisationsteiler nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wechselwirkungslänge L zur Kopplungslänge Lc des Kopplers (39) größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 3 ist.