DE69525690T2

DE69525690T2 - Akustooptischer abstimmbarer Filter und durch diesen abgestimmter Laser

Info

Publication number: DE69525690T2
Application number: DE69525690T
Authority: DE
Inventors: Lewis B. Aronson
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1994-08-01
Filing date: 1995-07-25
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2015-07-26
Also published as: JPH08101363A; EP0695963A1; US5452314A; EP0695963B1; DE69525690D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Elemente und insbesondere auf ein akustooptisches abstimmbares Filter, das ein extern erzeugtes elektrisches Feld zum Steuern von Doppelbrechung und zum Ändern von Filtereigenschaften verwendet, und auf einen Laser, der durch solch ein Filter abgestimmt wird.
Ein theoretisch ideales Bandpaßfilter läßt alle Energie mit einer Frequenz innerhalb eines gewünschten Frequenzbandes durch, und blockiert jede Energie mit einer Frequenz außerhalb des gewünschten Bandes. Gleichartig dazu blockiert ein ideales Sperrfilter alle Energie mit einer Frequenz innerhalb eines spezifizierten Bandes und läßt alle andere Energie durch. Die Antwortkurve bzw. -kennlinie eines idealen Bandpaßfilters ist in Fig. 1 gezeigt, die Antwortkurve eines idealen Sperrfilters ist in Fig. 2 gezeigt. Alltäglich ausgedrückt, wäre ein Beispiel eines idealen Bandpaßfilters eine Abstimmschaltung, die ein Radio abstimmen würde, um eine gewünschte Station mit perfekter Genauigkeit zu empfangen, während alle andere Stationen vollständig gesperrt werden, sogar eine noch viel stärkere bei einem benachbarten Frequenzband. Bei dem optischen Bereich würde ein ideales Filter beispielsweise ermöglichen, daß rotes Licht mit einer vollen Helligkeit durchgelassen wird, während das Licht anderer Farben vollständig blockiert wird.
Theoretisch ideale Filter können aus vielen Gründen in der Praxis nicht erreicht werden. Ein gutes und praktisch realisierbares Filter ist im allgemeinen ein Filter mit einer Antwort, die in dem gewünschten Paßband im wesentlichen flach ist, und die mit entweder ansteigender oder abfallender Frequenz außerhalb des Paßbandes glatt abfällt. Die Antwortkurve eines guten realisierbaren Bandpaßfilters ist in Fig. 3 gezeigt.
Ein akustooptisches abstimmbares Filter ("AOTF") ist ein elektrisch abstimmbares optisches Bandpaßfilter. Volumen- AOTFs- d. h. AOTFs, die in Volumenkristallen hergestellt sind und akustische Volumenwellen und ungeleitete optische Strahlen verwenden - haben bereits viele wichtige Anwendungen bei Laser- und Optiksystemen gefunden. Von integrierten AOTF- AOTF, bei denen Licht auf einen Wellenleiter begrenzt ist, und die akustische Oberflächenwellen verwenden - wird ebenfalls erwartet, daß dieselben wichtige Anwendungen bei Laser- und Faseroptiksystemen zu finden, insbesondere bei solchen, die bei modernen Telekommunikationsanwendungen verwendet werden. Der Aufbau und der Betrieb eines integrierten AOTF wird nun mit Bezugnahme auf Fig. 4 erklärt.
Ein integriertes AOTF ist in einem länglichen Kristallinsubstrat 11, wie z. B. Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) hergestellt. Ein optischer Wellenleiter 13 ist in einer oberen Oberfläche des Substrats gebildet, beispielsweise durch Eindiffusion oder Titan. Ein Lichtstrahl ist durch eine optische Eingangsfaser 17 in ein erstes Ende 15 des Wellenleiters 13 gekoppelt. Das Licht verläuft durch den Wellenleiter und durch eine optische Ausgangsfaser 19 nach außen. Eine Oberflächenwelle wird durch einen Interdigitalwandler 21 in den Wellenleiter induziert. Der Wandler wird durch ein extern erzeugtes elektrisches Signal getrieben, die Frequenz der akustischen Welle wird durch die Frequenz des elektrischen Signals bestimmt.
Die akustische Welle induziert ein Beugungsgitter in den Wellenleiter, und dies wiederum beugt den Lichtstrahl. Das Gitter koppelt den transversen elektrischen und den transversen magnetischen Polarisationsmodus des Lichts, aber nur innerhalb eines schmalen Bandes optischer Wellenlängen. Somit wird innerhalb dieses schmalen Bandes alles Licht, das sich in einem Polarisationsmodus ausbreitet, in den orthogonalen Modus umgewandelt, während der Polarisationsmodus des Lichts außerhalb dieses Bandes nicht beeinträchtigt wird.
Ein TE-Durchlaßpolarisator 23, der zu dem ersten Ende des Wellenleiters benachbart ist, blockiert jegliches ankommende Licht, das sich nicht in einem ersten Polarisationsmodus befindet. Somit wird nur Licht, das in dem ersten Modus polarisiert ist, zu dem Filter zugelassen. Während das Licht durch den Wellenleiter verläuft, wird der Polarisationsmodus von jeglichem Licht mit einer Wellenlänge innerhalb des vorher erwähnten schmalen Bandes von optischen Wellenlängen in einen zweiten Modus umgewandelt, der orthogonal zu dem ersten Modus ist. Die Polarisation des restlichen Lichtes wird nicht beeinflußt. Ein TM-Durchlaßpolarisator 25 gegenüber dem Polarisator 23 blockiert jegliches Licht, das nicht in dem zweiten Polarisationsmodus ist, von dem Ausgang. Somit wird es nur Licht mit einem Polarisationsmodus, der während dem Verlauf durch das Filter umgewandelt wurde, ermöglicht, aus dem Filter auszutreten. Es ist kein Ausgangsziel gezeigt, aber es ist offensichtlich, daß das ausgegebene Licht schließlich zu einem Benutzer oder einem optischen Element eines bestimmten Typs geliefert wird.
Aus dem vorhergehenden ist ersichtlich, daß das AOTF Licht mit einer Wellenlänge innerhalb des Bandes, die durch die akustische Welle bestimmt ist, durchläßt, und anderes Licht blockiert. Somit dient das AOTF als ein Bandpaßfilter. Die Mittenfrequenz des Durchlaßbands kann durch Ändern der Frequenz des elektrischen Signals, das den Wandler treibt, abgestimmt werden. Das Filter kann durch Ändern des Polarisators 25 zu dem gleichen Typ von Polarisator wie der Polarisator 23 in ein "Sperrfilter" umgewandelt werden.
Die Polarisatoren 23 und 25 sind als einstückig in dem Substrat 11 gebildet gezeigt. Einer oder beide dieser Polarisatoren können jedoch als getrennte Elemente hergestellt sein, und entfernt von dem Substrat 11 in dem Eingangs- bzw. Ausgangslichtweg positioniert sein. In der Tat kann der Polarisator 23 vollständig weggelassen werden, falls das Eingangslicht bereits polarisiert ist, und der Polarisator 25 kann weggelassen werden, falls der Benutzer oder das optische Gerät, das das Ausgangslicht empfängt, in der Lage ist, zwischen Polarisationsmoden zu unterscheiden.
Während das Licht durch den Wellenleiter verläuft und durch die akustische Welle gebeugt wird, wird die Frequenz des Lichts einer Doppler-Verschiebung unterzogen, weil das Gitter, das durch die akustische Welle induziert wird, bezüglich des Wellenleiters in Bewegung ist. Falls gewünscht, kann diese Doppler-Verschiebung aufgehoben werden, indem Licht durch ein zweites AOTF geleitet wird. Obwohl zwei physikalisch getrennte AOTFs verwendet werden könnten, ist es oft vorteilhaft, zwei AOTF-Stufen in zwei benachbarten Abschnitten 27 und 29 des Wellenleiters 13 herzustellen. Bei einer solchen Konfiguration ist die akustische Welle, die durch den Wandler 21 erzeugt wird, durch akustische Absorber 31 und 33 auf den ersten Wellenleiterabschnitt 27 beschränkt. Die akustischen Absorber können aus Wachs oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sein. Ein zweiter Wandler 35 erzeugt eine zweite akustische Welle in dem zweiten Wellenleiterabschnitt 29. Diese zweite akustische Welle ist durch akustische Absorber 37 und 39 auf den zweiten Wellenleiterabschnitt beschränkt.
Ein dritter Polarisator 41, der ähnlich ist wie der erste Polarisator 23, ist an dem Ausgangsende des zweiten Wellenleiterabschnitts 29 positioniert. Falls alle drei Polarisatoren des gleichen Typs sind, wird ein Zweistufensperrfilter gebildet. Falls der Polarisator 25 nur Licht durchläßt, das orthogonal polarisiert ist zu dem Licht, das durch die Polarisatoren 23 und 41 durchgelassen wird, wird ein Zweistufenbandpaßfilter gebildet.
Obwohl eine Konfiguration mit zwei Wandlern gezeigt ist, kann es vorzuziehen sein, nur einen Wandler zu verwenden, um die akustischen Wellen in beiden Abschnitten des Wellenleiters zu erzeugen. Bei einer solchen Konfiguration sind die akustischen Absorber 33 und 37, die zwischen den beiden Abschnitten 27 und 29 liegen, ausgelassen. Ein einzelner Wandler erzeugt die Wellen durch beide Abschnitte des Wellenleiters, der Wandler kann an jedem geeigneten Punkt entlang des Wellenleiters positioniert sein.
Leider ist die Frequenzantwort eines AOTF nicht wie die eines guten Bandpaßfilters, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Statt dessen ist die Frequenzantwort eines AOTF durch unerwünschte Seitenlappen charakterisiert. Selbst in der Theorie sind das beste Verhalten, das von einem Grund- Einstufen-AOTF erwartet werden kann, Seitenlappen von nicht mehr als zehn Dezibel ("dB") unterhalb der Mittenfrequenz, wie es durch Harris u. a., Journal of the Optical Society of America, Band 59, Seite 744 (1969) erklärt ist. In der Praxis sind Einstufen-AOTF-Seitenlappen oft viel weniger als zehn dB unterhalb der Mittenfrequenz. Was noch schlimmer ist, die Seitenlappen sind nicht symmetrisch. Eine Antwortkurve eines typischen AOTF, die die asymmetrischen Seitenlappen zeigt, ist in Fig. 5 vorgesehen.
Verschiedene Verfahren zum Reduzieren dieser unerwünschten Seitenlappen wurden vorgeschlagen, und als Beispiel sind einige dieser Vorschläge in Kar-Roy u. a., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 4, Seite 1132 (1992); Smith u. a., Integrated Photonics Reserach, Bd. 10 der 1992 ISA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington) S. 88-89; Hermann u. a., Electronics Letters Bd. 28 Seite 979 (1992); und Hermann u. a., Electronics Letters, Bd. 28 S. 642 (1992), erörtert.
Eine Erklärung, weshalb unsymmetrische Seitenlappen auftreten, und einen Vorschlag zum Eliminieren derselben kann gefunden werden in: Trutna u. a., "Anomalous sidelobes and Birefringence Apodization in Acousto-Optic Tunable Filters", Optics Letters, Bd. 18, Nr. 1, 1. Januar 1993. Kurz zusammengefaßt, Trutna u. a. zeigten, daß die unerwünschten Seitenlappen durch eine Nichteinheitlichkeit der Doppelbrechung in dem Wellenleiter entstehen. Diese Nichteinheitlichkeit wiederum hat mehrere Ursachen, einschließlich Temperaturgefällen, Wellenleiterbreitenschwankungen, Titandickeschwankungen und Inhomogenitäten in dem LiNbO&sub3;-Substrat. Trutna u. a. zeigten außerdem, wie diese Schwankungen absichtlich verwendet werden können, um Seitenlappen in einem Zwei-Abschnitt-AOTF zu reduzieren.
Es wird erwartet, daß integrierte AOTFs eine besonders wichtige Anwendung beim Herstellen abstimmbarer Laser finden werden. Obwohl verschiedene Verfahren zum Abstimmen bestimmter Arten von Lasern bekannt sind, leiden alle dieser Verfahren unter Nachteilen, wie z. B. langsame Antwort, mechanische Komplexität, Drift im Lauf der Zeit und relativ hohe Kosten. Das integrierte AOTF bietet das Potential zum Überwinden vieler dieser Nachteile, falls die Filterfunktionscharakteristika desselben verbessert werden könnten.
Hinsichtlich des vorhergehenden ist es offensichtlich, daß es einen Bedarf nach einer Möglichkeit gibt, die Filterfunktionscharakteristika der AOTF zu verbessern, so daß die Vorteile, die in der Theorie von diesen Elementen erhalten werden können, realisiert werden können.
Die JP-A-4159516 offenbart ein akustooptisches abstimmbares Filter, das folgende Merkmale umfaßt: eine Basis aus doppelbrechendem akustischem Material, das angepaßt ist, um einen ankommenden Lichtstrahl zu empfangen, einen Wandler, der auf ein elektrisches Signal anspricht, um eine akustische Welle in der Basis zu induzieren, wobei die akustische Welle wirksam ist, um den Polarisationsmodus von jeglicher Lichtausbreitung durch die Basis zu ändern, und eine Frequenz innerhalb eines optischen Frequenzbands aufweist, das durch die Frequenz der akustischen Welle und durch die optischen Eigenschaften der Basis definiert ist, aber nicht, um den Polarisationsmodus von jeglichem Licht mit einer Frequenz außerhalb des optischen Frequenzbands zu ändern, und eine Steuereinrichtung zum Steuern einer optischen Eigenschaft der Basis durch Einstellen der Doppelbrechung des akustooptischen Materials. Die technischen Merkmale in dem ersten Teil von Anspruch 1 sind aus diesem herkömmlichen Dokument bekannt.
Der Artikel Smith D. A., u. a., "Acoustically tuned erbiumdoped fibre ring laser", Optics Letters 16(6), 387-9 offenbart einen abstimmbaren Laser, der einen optischen Verstärker zum Verstärken eines optischen Signals, eine Leistungszufuhr zum Versorgen eines optischen Verstärkers mit Leistung, eine optische Leitereinrichtung, die einen optischen Weg definiert und ein zweistufiges akustooptisches Filter als das Abstimmelement umfaßt.
Die vorliegende Erfindung schafft ein akustooptisches abstimmbares Filter ("AOTF") mit den Merkmalen von Anspruch 1, bei dem ein angelegtes elektrisches Feld die Doppelbrechung des Filters steuert, wobei die Filterfunktion stark verbessert wird und ermöglich wird, das Filter über einen Bereich von Mittenfrequenzen elektronisch abzustimmen. Ein abstimmbarer Laser, der ein solches AOTF enthält, ist in Anspruch 15 definiert. Ein Verfahren zum Steuern eines AOTF gemäß der Erfindung ist in Anspruch 13 definiert.
Kurz und allgemein gesagt, umfaßt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Basis, die aus akustooptischem Material hergestellt ist, eine Steuereinrichtung zum Steuern der Doppelbrechung des akustooptischen Materials und einen Wandler, der eine akustische Welle in der Basis induziert. Beim Betrieb wird ein Eingangslichtstrahl, der gefiltert werden soll, in ein Ende der Basis geleitet. Die akustische Welle ändert den Polarisationsmodus dieses Eingangslichts, falls das Licht eine Frequenz innerhalb eines optischen Frequenzbandes aufweist, das durch die Frequenz der akustischen Welle und die optischen Eigenschaften der Basis definiert ist. Der Polarisationsmodus von Licht mit einer anderen Frequenz wird nicht beeinflußt. Die Steuereinrichtung umfaßt eine Mehrzahl von Elektroden benachbart zu der Basis und eine Spannungsquelle, die ein Potential über die Elektroden festlegt. Dieses Potential führt zu einem elektrischen Feld, das sich durch die Basis erstreckt. Das elektrische Feld ändert die Doppelbrechung des akustooptischen Materials und ändert dadurch eine optische Eigenschaft der Basis. Dies wiederum steuert, wie das Licht beeinflußt wird, während dasselbe durch die Basis verläuft.
An jedem Ende der Basis können ein Eingangs- und ein Ausgangspolarisator angeordnet sein, so daß ein Eingangslichtstrahl durch den Eingangspolarisierer, dann die Basis und dann den Ausgangspolarisator verläuft. Bei einem Ausführungsbeispiel lassen beide Polarisatoren Licht durch, das in einem ersten Modus polarisiert wurde, und dämpfen Licht, das in einem zweiten Modus polarisiert wurde. Nur Licht, das in dem ersten Modus polarisiert wurde, wird in die Basis zugelassen. Jegliches Licht mit einer Frequenz innerhalb des Frequenzbands, das durch die Frequenz der akustischen Welle und durch die optischen Eigenschaften der Basis definiert ist, wird in den zweiten Polarisationsmodus umgewandelt, aber Licht außerhalb dieses Frequenzbands wird nicht beeinflußt. Weil der Ausgangspolarisator alles Licht in dem zweiten Polarisationsmodus blockiert, wird nur das Licht außerhalb des definierten Frequenzbands durch den Ausgang des Filters durchgelassen. Dementsprechend ist es offensichtlich, daß diese Konfiguration von Polarisatoren ein Sperrfilter definiert, das Licht innerhalb des definierten Frequenzbandes dämpft.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Eingangspolarisator durchlässig für Licht, das in einem ersten Modus polarisiert ist, und der Ausgangspolarisator ist durchlässig für Licht, das in einem zweiten Modus orthogonal zu dem ersten Modus polarisiert ist. Diese Konfiguration definiert ein Bandpaßfilter, das Licht außerhalb des definierten Frequenzbandes dämpft.
Die Erfindung ist vorzugsweise in ein integriertes AOTF von der Art eingebaut, bei der ein Wellenleiter durch Eindiffusion eines Streifens von Titan in eine Oberfläche eines Lithiumniobat-Kristalls gebildet ist. Der Eingangs- und der Ausgangspolarisator können einstückig in dem Kristall gebildet sein, oder sie können entfernt an geeigneten Punkten in dem optischen Eingangs- und Ausgangsweg positioniert sein. Einer oder beide derselben können völlig weggelassen werden, falls das Eingangslicht bereits polarisiert ist oder falls der Endempfänger des Lichts zwischen unterschiedlichen Polarisationsmoden unterscheiden kann.
Die Spannung, die an die Elektroden angelegt wird, wird wie gewünscht eingestellt, um eines oder mehrere von einigen Eigenschaften des AOTF zu steuern. Für einige Zwecke wird eine Gleichspannung verwendet. Diese Spannung wird eingestellt, um Herstellungsdefekte in der Kristallstruktur auszugleichen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel gleicht die Spannung Temperaturdrift oder andere Umgebungseffekte aus. Beispielsweise kann ein Temperaturerfassungselement verwendet werden, um die Spannung gemäß der Temperatur der Struktur zu steuern, und dadurch jede Drift bei der Filtermittelwellenlänge als Folge von sich ändernden Temperaturen zu minimieren.
Die Spannung kann außerdem verwendet werden, um das Filter auf ein gewünschtes Frequenzband abzustimmen, oder um einen Lichtstrahl zu modulieren, der durch die Struktur verläuft.
Es kann wünschenswert sein, elektrische Felder von unterschiedlicher Stärke an unterschiedlichen Positionen entlang der Struktur zu haben. Dies wird beispielsweise durch Verwenden mehrerer Paare von Elektroden und Anlegen eines unterschiedlichen Potentials an jedes Paar, durch Verwenden eines Widerstandselements als eine Elektrode, oder durch Verwenden einer speziell geformten Elektrode erreicht.
Zwei benachbarte AOTFs können in einem einzigen Substrat durch Positionieren eines Mittelabschnittpolarisators zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Wellenleiters in Reihe konfiguriert werden, wobei jeder Abschnitt eine Filterstufe definiert. Selbstverständlich können durch Verwenden von mehr Mittelabschnittpolarisatoren, um den Wellenleiter in mehr Abschnitte als gewünscht zu unterteilen, mehr als zwei Filterstufen in dem Substrat gebildet werden.
Ein Zweistufen-AOTF, das die die Prinzipien der Erfindung umfaßt, bietet mehrere Vorteile. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die zweite Stufe lediglich verwendet, um jede Doppler-Verschiebung auszugleichen, die durch die erste Stufe induziert wird. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Spannung, die an eine Stufe angelegt wird, eingestellt, um Seitenlappen auf einer Seite der Mittenfrequenz des Durchlaßbandes zu unterdrücken, und die Spannung, die an das andere AOTF angelegt wird, wird eingestellt, um Seitenlappen auf der anderen Seite der Mittenfrequenz zu unterdrücken, somit wird ein Zweistufen-Bandpaßfilter mit stark gedämpften Seitenlappen auf beiden Seiten des Durchlaßbandes geschaffen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel eines Zweistufen-AOTF empfängt die Spannungsquelle ein Modulationssignal und moduliert den Lichtstrahl durch Anlegen eines Potentials, das die erste Stufe in einer Richtung und die zweite Stufe in der entgegengesetzten Richtung verstimmt. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Spannungen, die an jede Stufe angelegt werden, eingestellt, um die Stufen auf die gleiche optische Frequenz abzustimmen, wodurch den Faktoren entgegengewirkt wird, die die Filterstufen bezüglich zueinander verstimmt haben können.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Steuern eines AOTF. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Erzeugens eines elektrischen Felds, des Anlegens des elektrischen Feldes über ein AOTF und des Steuerns der Intensität des elektrischen Feldes, um einen optischen Transmissionsparameter des Wellenleiters zu modifizieren. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt das Verfahren das Erfassen der Temperatur des Filters an einer oder mehrerer Positionen, und das Anlegen eines elektrischen Feldes an jeder solchen Position, um jegliche nachteiligen Auswirkungen von Temperaturänderungen auszugleichen.
Ein Bandpaß-AOTF gemäß der Erfindung ist vorteilhafterweise in dem optischen Weg eines Äußerer-Hohlraum-Lasers enthalten, um einen elektronisch abstimmbaren Laser zu schaffen, der charakterisiert ist durch die Fähigkeit, Frequenzen ansprechend auf Änderungen bei der Spannung, die die Doppelbrechung des AOTF steuert, sehr schnell zu ändern.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich werden, die den Stand der Technik und verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft darstellt.
Fig. 1 zeigt die Frequenzantwort eines idealen Bandpaßfilters.
Fig. 2 zeigt die Frequenzantwort eines idealen Sperrfilters.
Fig. 3 zeigt die Frequenzantwort eines realisierbaren Bandpaßfilters mit guter Qualität.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines integrierten AOTF gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 5 zeigt die Frequenzantwort eines herkömmlichen AOTF.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines AOTF, die zum Erklären der Erfindung nützlich ist.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 7- 7 in Fig. 6.
Fig. 8 ist eine ähnliche Querschnittsansicht wie die von Fig. 7, zeigt aber eine alternative Konfiguration von Elektroden.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines Zweistufen-AOTF, von dem jede Stufe im allgemeinen gleich ist wie das in Fig. 6 gezeigte AOTF.
Fig. 10 ist ein Schema eines AOTF, das ähnlich ist wie das in Fig. 6 gezeigte, aber mit einer Mehrzahl von Teilelektroden auf einer Seite des Wellenleiters.
Fig. 11 ist ein Schema eines AOTF, das ähnlich ist wie das in Fig. 6 gezeigte, aber mit einem Widerstandselement, das als eine der Elektroden verwendet wird.
Fig. 12 ist ein Schema eines Zweistufen-AOTF, das ähnlich ist wie das in Fig. 9 gezeigte, aber bei dem die Elektroden geformt sind, um ein räumlich variierendes elektrisches Feld zu schaffen.
Fig. 13 ist ein Schema eines Zweistufen-AOTF, das ähnlich ist wie das in Fig. 9 gezeigte, und einen Thermistor umfaßt, um die Spannungsquelle zu steuern.
Fig. 14 ist ein Schema eines AOTF, das ähnlich ist, wie das in Fig. 6 gezeigte, aber bei dem die Spannungsquelle durch ein Abstimmsignal gesteuert wird.
Fig. 15 ist ein Schema eines AOTF, das ähnlich ist wie das in Fig. 6 gezeigte, aber bei dem die Spannungsquelle das Feld ansprechend auf ein Modulationssignal moduliert.
Fig. 16 ist ein Teilschema eines elektronisch abstimmbaren Äußerer-Hohlraum-Lasers, der die Prinzipien der Erfindung umfaßt.
Fig. 17 zeigt die Antwort eines AOTF ähnlich zu dem in Fig. 6 gezeigten AOTF.
Fig. 18 zeigt die gemessene Frequenz einer Spitzenumwandlung aufgetragen gegen die Abstimmspannung des AOTF mit der Frequenzantwort, die in Fig. 17 gezeigt ist.
Fig. 19 zeigt Abstimmkurven eines AOTF, das ähnlich ist wie das in Fig. 10 gezeigte AOTF.
Ein akustooptisches abstimmbares Filter ("AOTF") verwendet ein elektrisches Feld, um optische Eigenschaften des Filters durch Einstellen der Doppelbrechung des akustooptischen Materials, aus dem das Filter hergestellt ist, zu steuern. Es besteht ein Bedarf nach einer Möglichkeit, die optischen Eigenschaften eines AOTF zu steuern, und dadurch die Filterfunktion desselben zu verbessern. Es gibt außerdem einen Bedarf nach einer besseren Möglichkeit, ein AOTF besser elektronisch abzustimmen. Bestehende Lösungsansätze sind nicht adäquat.
Ein AOTF gemäß der Erfindung ist vorzugsweise mit Elektroden an jeder Seite des Wellenleiters und einer Spannungsquelle versehen, die ein Potential über die Elektroden anlegt, um das elektrische Feld zu erzeugen. Ein solches AOTF bietet eine stark verbesserte Leistungsfähigkeit. Die Verwendung eines elektrischen Feldes, um die Doppelbrechung eines Zweistufen-Bandpaßfilters zu ändern, kann die Seitenlappen auf mehr als 18,6 dE unterhalb der Spitzenantwort an der Mitte des Durchlaßbandes reduzieren. Die Spannungsquelle ist einstellbar, um ein Potential zu liefern, um Herstellungsdefekte oder Umwelteinflüsse auszugleichen. Das AOTF kann durch Ändern der Spannung sehr schnell abgestimmt werden. Ein Lichtstrahl, der durch das AOTF verläuft, kann durch Anlegen eines Modulationssignals über die Elektroden moduliert werden. Die Erfindung findet Anwendung bei einem Abstimmelement eines elektronisch abstimmbaren Lasers.
Mit Bezugnahme auf Fig. 6 ist ein AOTF, das beim Erklären der Erfindung nützlich ist, in einer Basis 101 aus akustooptischem Material hergestellt. Die Basis weist ein erstes Ende 103 auf, das angepaßt ist, um einen ankommenden Lichtstrahl zu empfangen, beispielsweise von einer optischen Eingangsfaser 105. Dieses Filter ist als ein integriertes Element dargestellt, in dem ein Wellenleiter 107 in einer oberen Oberfläche der Basis 101 gebildet ist, und sich von dem ersten Ende der Basis 103 zu einem zweiten Ende 109 erstreckt, aber es ist offensichtlich, daß ähnliche Prinzipien auch auf ein Volumenbauelement anwendbar sind, das heißt, ein AOTF, das in einem Volumenkristall ohne einen Wellenleiter hergestellt ist. Ein integriertes AOTF, wie es dargestellt ist, ist vorzugsweise aus einem kristallinen Material hergestellt, wie z. B. Lithiumniobat (LiNbO&sub3;). Der Wellenleiter 107 wird durch Eindiffusion von Titan oder einem anderen geeigneten Material gebildet.
Ein Wandler 111 spricht auf ein elektrisches Signal an, um eine akustische Welle in die Basis zu induzieren. Das elektrische Signal wird durch eine externe Spannungsquelle 113 geliefert. Die Frequenz der akustischen Welle und die optischen Eigenschaften der Basis definieren ein optisches Frequenzband. Bei dem Wellenleiter ändert die akustische Welle den Polarisationsmodus von jeglichem Licht mit einer Frequenz innerhalb des definierten optischen Frequenzbandes. Der Polarisationsmodus von jeglichem Licht mit einer Frequenz außerhalb dieses optischen Frequenzbandes wird jedoch nicht beeinflußt.
Um eine optische Eigenschaft der Basis durch Einstellen der Doppelbrechung des akustooptischen Materials, aus dem die Basis hergestellt ist, zu steuern, ist eine Steuereinrichtung vorgesehen. Vorzugsweise umfaßt die Steuereinrichtung eine Mehrzahl von Elektroden 115 und 117, die zu der Basis benachbart sind, und eine Spannungsquelle 119 in elektrischer Kommunikation mit den Elektroden. Die Spannungsquelle legt ein Potential über die Elektroden fest und erzeugt dadurch ein elektrisches Feld, das sich durch den Wellenleiter erstreckt.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Filter sind die Elektroden 115 und 117 auf der oberen Oberfläche der Basis parallel zu dem Wellenleiter, und auf gegenüberliegenden Seiten desselben positioniert, wie es am besten in Fig. 7 dargestellt ist. Die Elektrode 117 ist mit einem positiven Anschluß der Spannungsquelle 119 verbunden, und die Elektrode 115 ist mit einem negativen Anschluß der Spannungsquelle verbunden. Ein Pfeil 121 stellt das elektrische Feld dar, das sich von der Elektrode 117 durch den Wellenleiter zu der Elektrode 115 erstreckt.
Bei einer anderen Anordnung, die in Fig. 8 im Querschnitt gezeigt ist, ist eine Elektrode 123 auf dem Wellenleiter positioniert, und zwei andere Elektroden 125 und 127 sind auf der oberen Oberfläche der Basis auf beiden Seiten des Wellenleiters positioniert. Die Elektrode 123 ist mit dem positiven Anschluß der Spannungsquelle verbunden, und die Elektroden 124 und 127 sind mit dem negativen Anschluß verbunden. Die Pfeile 129 stellen das elektrische Feld dar, das sich von der Elektrode 123 durch den Wellenleiter zu den Elektroden 125 und 127 erstreckt.
Bei einer Anordnung sind der Eingangs- und der Ausgangspolarisator 131 und 133 benachbart zu den entgegengesetzten Enden 103 und 109 der Basis angeordnet, so daß ein Eingangslichtstrahl durch den Eingangspolarisator 131, dann den Wellenleiter 107 und dann den Ausgangspolarisator 133 verläuft, wobei der Eingangspolarisator und der Ausgangspolarisator beide Licht durchlassen, das in einem ersten Modus polarisiert ist, und Licht dämpfen, das in einem zweiten Modus polarisiert ist. Diese Konfiguration definiert ein Sperrfilter, das Licht mit einer Frequenz außerhalb des definierten optischen Frequenzbandes durchläßt und Licht mit einer Frequenz innerhalb dieses Bandes dämpft.
Ein Bandpaßfilter wird auf die gleiche Weise gebildet wie das Sperrfilter, außer daß der Ausgangspolarisator 133 für Licht durchlässig ist, das in dem zweiten Modus polarisiert ist, und Licht dämpft, das in dem ersten Modus polarisiert ist. Dieses Filter läßt Licht mit einer Frequenz innerhalb des definierten optischen Frequenzbandes durch, und dämpft Licht mit einer Frequenz außerhalb dieses Frequenzbandes.
Die bisher beschriebenen Anordnungen sind alle optische Einstufenfilter. Bei einem solchen Filter weist die Wechselwirkung zwischen dem Lichtstrahl und der akustischen Welle in dem Wellenleiter die Wirkung einer Doppler- Verschiebung der Frequenz des Lichtstrahls auf. Eine zweite optische Filterstufe kann hinzugefügt werden, um diese Doppler-Verschiebung umzukehren. Obwohl zwei getrennte AOTFs, die in Reihe geschaltet sind, als die erste und die zweite Stufe eines Zweistufenfilters dienen könnten, ist es oft besser, beide Stufen in einem einzigen Substrat herzustellen. Ein solches Zweistufenfilter ist in Fig. 9 gezeigt.
Das Zweistufen-Filter ist in einem länglichen Substrat 135 aus LiNbO&sub3; oder einem anderen geeigneten Material hergestellt. Ein Wellenleiter 137 ist durch Eindiffusion von Titan oder einem anderen geeigneten Material in einer oberen Oberfläche des Substrats gebildet. Der Wellenleiter erstreckt sich von einem ersten Ende 139 des Substrats zu einem zweiten Ende 141. Ein Eingangslichtstrahl wird an dem ersten Ende durch eine optische Eingangsfaser 143 empfangen. Das Licht verläuft durch den Wellenleiter zu dem zweiten Ende, wo es in eine optische Ausgangsfaser 145 gekoppelt wird.
Die erste AOTF-Stufe, im allgemeinen 147, umfaßt einen ersten Wandler 149 und eine erste Mehrzahl von Elektroden 151 und 153, die zu dem Wellenleiter benachbart sind. Diese Komponenten sind im allgemeinen ähnlich zu dem Wandler 111 und den Elektroden 115 und 117, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind. Der Wandler wird durch eine externe Signalquelle (nicht gezeigt) getrieben, die ähnlich ist wie die Quelle 113 von Fig. 6. Eine Spannungsquelle (nicht gezeigt), die ähnlich ist wie die Spannungsquelle 119 von Fig. 6, ist mit den Elektroden 151 und 153 verbunden, um ein elektrisches Feld durch den Wellenleiter in der ersten Stufe des Filters zu erzeugen.
Die zweite AOTF-Stufe, im allgemeinen 155, umfaßt einen zweiten Wandler 157 und eine zweite Mehrzahl von Elektroden 159 und 161, die zu dem Wellenleiter benachbart sind. Der zweite Wandler wird durch eine externe Signalquelle (nicht gezeigt) getrieben.
Ein Mittelabschnittpolarisator 163 ist zwischen der ersten und der zweiten Stufe angeordnet. Dieser Polarisator läßt Licht durch, das in einem ersten Modus polarisiert ist und dämpft Licht, das in einem zweiten Modus polarisiert ist.
Falls ein Zweistufen-Bandpaßfilter gewünscht ist, werden der Eingangs- und der Ausgangspolarisator 165 und 177 benachbart zu dem ersten und dem zweiten Ende 139 bzw. 141 angeordnet. Der Eingangs- und der Ausgangspolarisator lassen beide Licht durch, das in dem zweiten Modus polarisiert ist, und dämpfen Licht, das in dem ersten Modus polarisiert ist. Die Polarisatoren können einstückig in dem Substrat gebildet sein, wie bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel, oder sie können an einem geeigneten Punkt in dem Eingangs- und in dem Ausgangslichtweg positioniert sein. Ein Zweistufen-Sperrfilter kann durch Konfigurieren aller drei Polarisatoren 163, 165 und 167 gebildet werden, um Licht durchzulassen, das in dem gleichen Modus polarisiert ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann es wünschenswert sein, die akustische Welle, die in dem ersten Wandler 149 in dem Abschnitt der ersten Stufe des Wellenleiters erzeugt wird, von der akustischen Welle, die durch den zweiten Wandler 157 in dem Abschnitt der zweiten Stufe des Wellenleiters erzeugt wird, zu isolieren. Dies kann durch einen oder mehrere akustische Absorbierer durchgeführt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Stufe 147 zwischen einem Paar von akustischen Absorbierern 169 und 171 angeordnet, und die zweite Stufe 155 ist zwischen einem zweiten Paar von akustischen Absorbierern 173 und 175 angeordnet. Die akustischen Absorbierer können aus Wachs oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein.
Es ist ein Vorteil des Zweistufen-AOTF, daß unterschiedliche optische Eigenschaften in jeder Stufe gesteuert werden können. Bei einem Bandpaßfilter kann beispielsweise das Potential, das an die erste Mehrzahl von Elektroden 151 und 153 angelegt ist, eingestellt werden, um Seitenlappen auf einer Seite des Durchlaßbandes zu dämpfen, während das Potential, das an die zweite Mehrzahl von Elektroden 159 und 161 angelegt ist, eingestellt ist, um Seitenlappen auf der anderen Seite des Durchlaßbandes zu dämpfen. Das Ergebnis ist ein Zweistufen-Filter, das eine gute Seitenlappenunterdrückung auf beiden Seiten des Durchlaßbandes aufweist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Potential, das an jede Stufe angelegt wird, eingestellt, um diese Stufe zu einer gewünschten optischen Frequenz abzustimmen, und dadurch die beiden Stufen für das gleiche optische Frequenzband auszurichten.
Ein Zweistufen-AOTF kann verwendet werden, um einen Lichtstrahl zu modulieren. Ein Modulationssignal wird durch eine externe Quelle (nicht gezeigt) geliefert, und in beiden Stufen des AOTF an die Elektroden angelegt. Das Modulationssignal, wie es an die erste Mehrzahl von Elektroden 151 und 153 angelegt ist, ist vorgespannt, um das Filter in einer Richtung zu verstimmen. Gleichartig dazu ist das Modulationssignal, wie es an die zweite Mehrzahl von Elektroden 159 und 161 angelegt ist, vorgespannt, um das Filter in der entgegengesetzten Richtung zu verstimmen. Das Ergebnis ist ein Ausgangslichtstrahl, der mit den Informationen moduliert ist, die durch das Modulationssignal getragen werden.
Eine Art und Weise, auf die ein räumlich variierendes elektrisches Feld erzeugt werden kann, ist durch Austauschen einer der Elektroden, beispielsweise der Elektrode 117 von Fig. 6, mit einem Satz von Teilelektroden 177, 179 und 181, die auf der gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters von der Elektrode 115 angeordnet sind. Diese Konfiguration ist in Fig. 10 gezeigt. Jede dieser Teilelektroden ist benachbart zu einem anderen Teil des Wellenleiters positioniert als die anderen Elektroden. An jede Teilelektrode wird ein unterschiedliches Potential angelegt, um elektrische Felder mit unterschiedlicher Stärke durch die unterschiedlichen Teile des Wellenleiters zu erzeugen.
Die in Fig. 10 gezeigte Konfiguration liefert ein Feld, das longitudinal in diskontinuierlichen Inkrementen entlang der Basis variiert. Ein elektrisches Feld, das entlang der Basis glatt variiert, kann durch Verwenden eines Widerstandselements 183 für eine der Elektroden geliefert werden, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Eine Spannung, die über das Widerstandselement angelegt ist, liefert einen Spannungsabfall, der sich glatt von einem Ende der Elektrode zu dem anderen erstreckt, was zu einem kontinuierlich räumlich variierenden elektrischen Feld durch die Basis führt.
Ein glatt räumlich variierendes Feld kann außerdem durch Konfigurieren der Elektroden erhalten werden, derart, daß eine derselben durch ein longitudinal variierendes Intervall von der anderen beabstandet ist. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 12 dargestellt. Ein erstes Paar von Elektroden 185 und 187, die jeweils konvex zu einem Wellenleiter 189 gebogen sind, wird verwendet, um ein longitudinal variierendes Feld in einer ersten Filterstufe 191 eines Zweistufen-AOTF zu erzeugen. Das Feld ist in der Nähe der Mitte der Elektroden stärker, und zu den Enden der Elektroden hin schwächer. Andere Formen können verwendet werden, um andere Feldstärkeprofile wie gewünscht zu erhalten. Beispielsweisse wird bei einer zweiten Filterstufe 193 ein zweites Paar von Elektroden 195 und 197, die jeweils konkav zu dem Wellenleiter gebogen sind, verwendet, um ein Feld zu erzeugen, das an der Mitte der Elektroden schwächer ist und das au den Enden der Elektroden hin stärker wird.
Zusätzlich zum Verwenden verschiedener Konfigurationen von Elektroden können außerdem unterschiedliche Potentiale verwendet werden, um verschiedene elektrische Felder zu erzeugen. Beispielsweise kann die Spannungsquelle 119, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, eingestellt werden, um ein Feld zu erzeugen, das die Doppelbrechung gerade genug ändert, um jede Verschlechterung der Filterleistung aufgrund von Herstellungsdefekten in der Wellenleiterregion der Basis auszugleichen. Oder die Spannungsquelle kann eingestellt werden, um ein Potential zu erzeugen, das jede Verschlechterung der Filterleistung aufgrund von Umwelteinwirkungen ausgleicht. Beispielsweise erfaßt ein Thermistor 190 die Temperatur einer AOTF-Basis 201, wie es in Fig. 13 gezeigt ist, und bewirkt, daß eine steuerbare Spannungsquelle 203 eine geeignete Spannung über ein Paar von Elektroden 205 und 207 anlegt, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das eine Doppelbrechung einstellt, um allen nachteiligen Auswirkungen einer Temperaturänderung entgegenzuwirken. Für einen sehr genauen Temperaturausgleich können unterschiedliche Felder in unterschiedlichen Abschnitten des AOTF verwendet werden. Beispielsweise werden bei dem in Fig. 13 gezeigten Ausführungsbeispiel die Komponenten 199, 203, 205 und 207 verwendet, um Temperaturänderungen in einem ersten Abschnitt 209 des AOTF auszugleichen. Ein zweiter Thermistor 211, eine zweite steuerbare Spannungsquelle 213 und ein zweites Paar von Elektroden 215 und 217 werden verwendet, um Temperaturänderungen in einem zweiten Abschnitt 219 des AOTF auszugleichen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel steuert ein Abstimmsignal die Spannungsquelle, um das AOTF auf eine gewünschte Mittenfrequenz abzustimmen. Es ist bekannt, daß ein AOTF gemäß dem Stand der Technik durch Ändern der Frequenz des Signals, das den Wandler treibt, abgestimmt werden kann. Durch Ändern der Wandlerfrequenz kann das AOTF über einen relativ großen Bereich von Frequenzen abgestimmt werden, aber es gibt eine endliche Verzögerung, nachdem die Wandlertreibfrequenz geändert ist, bevor das AOTF mit einer geänderten Mittenfrequenz anspricht. Das Anwenden der Prinzipien der Erfindung und das Abstimmen eines AOTFs durch Variieren der Spannung über die Elektroden stimmt das AOTF viel schneller ab als das Abstimmen auf herkömmliche Weise, wenn auch über einen schmaleren Bereich von Frequenzen. Ein AOTF, das gemäß den Prinzipien der Erfindung abstimmbar ist, ist in Fig. 14 dargestellt, wobei eine Spannungsquelle 221 auf ein Abstimmsignal anspricht, um ein Abstimmpotential über die Elektroden 223 und 225 anzulegen.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 15 gezeigt ist, spricht eine Spannungsquelle 227, typischerweise ein Verstärker, auf ein Modulationssignal an, um ein Wechselpotential über einem Paar von Elektroden 229 und 231 zu erzeugen, und dadurch Licht, das durch einen Wellenleiter 233 verläuft, mit Informationen zu modulieren, die durch das Modulationssignal getragen werden.
Ein AOTF, das die Prinzipien der Erfindung umfaßt, findet zahlreiche Anwendungen im Feld der Optik. Eine der wichtigsten dieser Anwendungen ist als das Abstimmelement eines abstimmbaren Lasers. Ein Beispiel eines solchen abstimmbaren Lasers ist in Fig. 16 dargestellt. Ein AOTF, im allgemeinen 235, ist in diesem Laser enthalten. Das AOTF 235 ist ähnlich wie das in Fig. 9 gezeigte Zweistufen-AOTF, und aus Gründen der Zweckmäßigkeit sind Komponenten in Fig. 16, die ähnlich sind wie Komponenten in Fig. 9, die gleichen Bezugszeichen zugeordnet und dieselben werden nicht weiter erörtert. Es ist offensichtlich, daß verschiedene andere AOTF-Ausführungsbeispiele, wie sie oben erörtert und dargestellt sind, statt dem AOTF 235 in dem in Fig. 16 gezeigten Laser verwendet werden könnten.
Zusätzlich zu dem AOTF 235 umfaßt der abstimmbare Laser einen optischen Verstärker 237 zum Verstärken eines optischen Signals, eine Leistungsversorgung 239 zum Versorgen des optischen Verstärkers mit Leistung, und eine optische Leiteinrichtung, die einen optischen Weg definiert, entlang dem ein Lichtstrahl von dem Verstärker zu dem ersten Ende 139 des AOTF 235 und von dem zweiten Ende 141 des AOTF zurück zu dem Verstärker geleitet wird. Die Leiteinrichtung liefert außerdem einen Abschnitt des Lichtstrahls als einen Ausgangslaserstrahl. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Leiteinrichtung einen Strahlteiler 241, der einen Lichtstrahl 243 von dem Verstärker empfängt, einen ersten Abschnitt 245 des Lichtstrahls als Ausgangsstrahl liefert, und einen zweiten Abschnitt 247 des Lichtstrahls zu einem Spiegel 249 leitet, der denselben zu dem ersten Ende 139 des AOTF reflektiert. Ein weiterer Spiegel 251 reflektiert den Lichtstrahl von dem zweiten Ende 141 des AOTF zu einem dritten Spiegel 253, der denselben wiederum zurück zu dem Verstärker reflektiert.
Das AOTF stimmt den Laser gemäß dem Potential, das an die Elektroden angelegt ist, sehr schnell über eine relativ schmale Bandspreizung ab, oder gemäß der Frequenz der akustischen Welle relativ langsam über eine breitere Bandspreizung, oder beides, wie es gewünscht ist.
Nun folgt eine detailliertere Erklärung der Prinzipien der Erfindung. Bei einem optischen Wellenleiter ist das TE- und TM-Moduskoppeln nach dem Ausbreiten durch einen Abstand z beim Vorliegen einer stehenden akustischen Welle ("SAW") durch das folgende Paar von gekoppelten Differentialgleichungen beschrieben:
wobei A&sub1; und A&sub2; die TE- bzw. TM-Modenamplitude darstellen, κ ein Kopplungsfaktor proportional zu der SAW-Amplitude ist, und Δβ ein Phasenfehlanpassungsfaktor ist, der durch die folgende Gleichung definiert ist:
wobei Δn die effektive bimodale Doppelbrechung ist (die beinahe gleich ist wie die Kristalldoppelbrechung), fa die akustische Frequenz ist und va die Schallgeschwindigkeit ist.
Eine optimale Kopplung zwischen den Moden tritt auf, wenn Δβ = 0 oder äquivalent dazu, wenn fa = v&sub1;Δn/λ. Diese Beziehung bestimmt die optische Mittenfrequenz λ des Filters für eine gegebene Treibfrequenz fa.
Solange Δn unabhängig von dem Ausbreitungsabstand z ist, was die übliche Annahme ist, dann sind die Gleichungen (1a) und (1b) ein Paar von Differentialgleichungen erster Ordnung, die leicht gelöst werden können. Mit den anfänglichen Bedingungen A&sub1;(0) = 0 und A&sub2;(0) = 1 ist die Umwandlungseffizienz P&sub1;(z) = A&sub1;A&sub1;·gegeben durch:
100% Umwandlungseffizient tritt auf, wenn Δβ = 0 und κz = π/2.
Ein AOTF wurde auf einem X-Schnitt, -Y-Ausbreitungs-LiNbO&sub3;- Substrat hergestellt, für das va = 3750 m/sek und Δn = 0,07329 gilt. Dieses Filter weist eine Bandpaßwellenlänge von 1315 nm auf, wenn die HF-Antriebsfrequenz 209 MHz beträgt. Für eine HF-Treiberleistung von 100 mW bei einer Wechselwirkungslänge von 17 mm wird etwa 100% Umwandlungseffizienz erreicht. Unter Verwendung dieser Parameter führt ein Umstand, daß die Umwandlungseffizienz aufgetragen gegen die Frequenz von fa über eine 2 MHz-Spanne verstimmt wird, zu asymmetrischen Seitenlappen, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die Seitenlappen sind weniger als 10 dE unten. Diese Seitenlappen können durch Anordnen von Filterstufen in Kaskaden, oder durch Variieren von akustischem Koppeln entlang der Länge des AOTF, wie es oben erwähnt ist, reduziert werden, aber diese Versuche waren nicht zufriedenstellend. Die tatsächlichen Seitenlappen waren aufgrund nichteinheitlicher Doppelbrechung in dem Wellenleiter immer viel höher als theoretisch vorhergesagt. Dies liegt an Faktoren wie z. B. Temperaturgefälle, Schwankungen bei der Breite und Dicke von Titanstreifen, die verwendet werden, um die Wellenleiter herzustellen, und Schwankungen bei der Kristallstöchiometrie über dem Wellenleiter.
Die Doppelbrechung in einem LiNbO&sub3;-Substrat kann durch ein elektrisches Feld gesteuert werden. Für das in Fig. 5 dargestellte AOTF, das auf einem X-Schnitt, -Y-Ausbreitungs- LiNbO&sub3;-Substrat hergestellt ist, ist die Änderung bei der Doppelbrechung δΔn mit angelegter Spannung gegeben durch:
δΔn = δΔnTE - δΔnTM ¹/&sub2;(ne³r&sub3;&sub3; - nO³r&sub1;&sub3;)ΓV/d (4)
wobei d der Abstand zwischen den Elektroden ist, δΔnTE und δΔnTM die Änderungen des effektiven Index für den TE- bzw. den TM-Modus sind, nc und n&sub0; der außerordentliche und der gewöhnliche Index von LiNbO&sub3; sind, und r&sub3;&sub3; und r&sub1;&sub3; Elemente des elektrooptischen Tensors für LiNbO&sub3; sind. Der Faktor Γ stellt die Überlappung zwischen dem optischen und dem elektrischen Feld dar und nimmt für typische Geometrien Werte von etwa 0,65 an. Kleine Fehler, die aus Nichteinheitlichkeiten in dem Feld zwischen den Elektroden entstehen können, werden ignoriert. Das Einfügen numerischer Werte für die Materialienkonstanten ergibt:
δΔn = 6,8 · 10&supmin;&sup5; V/d (5)
wobei V in Volt und d in Mikrometer ist. Für LiNbO&sub3; sind Feldstärken von 100 kV/cm vor dem Ausfall möglich. Dies würde eine maximale Doppelbrechungssteuerung von δΔnmax ± 7 · 10&supmin;&sup4; ergeben. Mit einem Elektrodenzwischenraum d = 10 um würde dies eine angelegte Spannung von 100 V erfordern.
Der Bereich von Doppelbrechungskorrektur, der durch eine Spannung von etwa 100 V erreicht werden kann, ist angemessen, um die Temperaturbereiche und physikalischen Schwankungen in dem Wellenleiter auszugleichen, die in der Praxis höchstwahrscheinlich auftreten. Die Effekte von Temperaturschwankungen, Titanstreifenbreiteschwankungen und von Dickeschwankungen des Substrats werden wie folgt ausgedrückt (bis zur ersten Ordnung):
wobei T, W und τ Temperatur, Titanstreifenbreite bzw. Dicke des Substrats darstellen. Eine ± 7 · 10&supmin;&sup4; Änderung ist gleich wie eine Temperaturschwankung von ±19ºC, eine Titanstreifendickeschwankung von ±200 Å oder eine Wellenleiterbreitenschwankung von ±1,3 um, von denen alle größer sind als die Schwankungen, die höchstwahrscheinlich in der Praxis auftreten.
Für Anwendungen, wie z. B. Ausgleichen von Temperaturänderungen und Korrigieren von unerwünschten Verschiebungen bei der Mittelwellenlänge, können parallele rechteckige Elektroden, wie die in Fig. 6 und 9 gezeigten, verwendet werden. Für Situationen, in denen es gewünscht ist, Schwankungen entlang der Länge eines Wellenleiters zu korrigieren, können Mehrfachabschnittelektroden oder Widerstandselektroden, wie die in Fig. 10 und 11 gezeigten, verwendet werden. Trutna u. a. erörtern spezifische Doppelbrechungsverteilungen, die verwendet werden können, um Seitenlappen auf einer Seite oder der anderen Seite der Bandpaßmittenfrequenz zu dämpfen. Gebogene Elektroden, wie z. B. die in Fig. 12 gezeigten konvexen und konkaven Elektroden, sind besonders gut geeignet, um die gesamten Seitenlappen durch Anlegen von Trutna's Technik auf jede Seite der Transmissionsfunktion zu verringern.
Wie es oben erörtert wurde, können die Prinzipien der Erfindung angewendet werden, um das AOTF abzustimmen und auch um Temperatur- und physikalische Schwankungen auszugleichen und um Seitenlappen zu unterdrücken. Bei einem herkömmlichen AOTF wird Abstimmen durch Verschieben der Antriebsfrequenz des Wandlers durchgeführt. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Frequenz des AOTF ansprechend auf eine solche Verschiebung bei der Antriebsfrequenz ändern kann, ist durch die Zeit beschränkt, die von einer SAW benötigt wird, um entlang der Länge des Wellenleiters zu verlaufen. Bei einem typischen Zweistufen-AOTF, wie das in Fig. 9 gezeigte, ist die Länge des Wellenleiters in einer Stufe etwa 17 mm und die Schallgeschwindigkeit der SAW ist etwa 3660 m/sek, was zu einer Durchgangszeit von 4,6 Mikrosekunden führt. Somit ist die maximale Rate, mit der das AOTF Frequenzen ändern kann, etwa 100.000 mal pro Sekunde, und dies wiederum bestimmt die maximale Abstimmrate eines Lasers, der ein AOTF als ein Abstimmelement verwendet.
Die Mittelwellenlänge des AOTF-Durchlaßbandes ist eine Funktion von Doppelbrechung und auch von der akustischen Antriebsfrequenz. Diese Mittelwellenlänge ist gegeben durch:
λ&sub0; = (nTM - nTE)Λ = ΔnΛ (7)
wobei nTE und nTM die effektiven Indizes des TE-Modus bzw. des TM-Modus sind, Δn die Differenz zwischen diesen Indizes ist und A die Wellenlänge der SAW ist. Das Anlegen einer Spannung ändert die Mittelwellenlänge des Filters zu:
λ(VT) = λ&sub0; + δΔn(VT)Λ = λ&sub0;(1 + δΔn(VT)/Δn) (8)
was zu dem elektrooptischen Abstimmbereich führt, gegeben durch:
Δλ = 2δΔnmaxλ&sub0;/Δn (9)
wobei der Faktor von 2 den Gesamtbereich anzeigt, der mit einer positiven und einer negativen angelegten Spannung möglich ist.
Wie oben angemerkt, ist die maximale Doppelbrechungsänderung, die erzeugt werden kann, δΔn ± 7 · 10&supmin;&sup4;. Für eine Mittelwellenlänge von 1550 nm, bei der das akustooptische Material eine Doppelbrechung von Δn = 0,072 aufweist, entspricht dies einem Abstimmbereich von etwa 30 nm. Obwohl dieser Abstimmbereich viel kleiner ist als die 150 nm, die durch akustische Frequenzabstimmung erhalten werden können, hat derselbe den Vorteil, daß derselbe sehr viel schneller ist. In der Tat werden Abstimmraten von mehr als 100 MHz leicht erreicht bzw. realisierbar. Abstimmraten von über 1 GHz sind möglich, wenn auch mit einem beschränkteren Abstimmbereich aufgrund der Schwierigkeiten des Erzeugens hoher Spannungen bei dieser Geschwindigkeit.
Auf einem Einfach-AOTF wurde ein Test des vorhergehenden durchgeführt. Die Wechselwirkungslänge war 50 mm. Wellenleiter mit Breiten von 5, 6 und 7 um wurden durch Titaneindiffusion gebildet. Die Titandicke war 1075 Å und wurde für sechs Stunden bei 1050ºC in nassem O&sub2; diffundiert. Auf dem Element waren keine Polarisatoren integriert. Sowohl Einfach- als auch Dreifach-Doppelbrechungssteuerelektroden waren enthalten. Der Elektrodenzwischenraum betrug etwa 12 um und die Metallbreite betrug 20 um. Der SAW-Wandler war eine 10-Paar-Entwicklung mit ineinandergreifenden geteilten Fingern. Die Elektrode ist für eine akustische Mittelwellenlänge von 20 um entwickelt, die eine optische Mittelwellenlänge von etwa 1,55 um ergibt. Die Öffnung war etwa 2,1 mm.
Das Filter wurde mit einem 1,55 um Wellenlängen-DFB, das mit dem Chip gekoppelt ist, mit einer Fujikura "PANDA"- Polarisations-bewahrenden Faser getestet. Es wurde herausgefunden, daß der TM-Modus sehr verlustbehaftet war (etwa 4 dB/cm), vermutlich aufgrund von Metallbelastung der Abstimmelektroden. Somit war TE-Licht mit den Elementen gekoppelt. Das Ausgangssignal wurde durch einen TE- Durchlaßpolarisator beobachtet. Somit wurde an der phasenangepaßten akustischen Frequenz eine Sperrtypfilter-Antwort beobachtet. Der TM-Loss kann durch Erhöhen des Elektrodenzwischenraums oder durch Hinzufügen einer dielektrischen Pufferschicht zwischen den Elektroden verhindert werden. Dies würde den Abstimmbereich nicht begrenzen, aber zu einem höheren Bereich von Spannungen für einen gegebenen Abstimmeffekt führen.
Fig. 17 zeigt die Filterantwort eines Elements mit einer Einfach-Abstimmelektrode. Die Daten sind die Transmission aufgetragen über die akustische Frequenz (dies ist gleich zu der Transmission über der optischen Frequenz) für einen Bereich von Gleichspannungen, die an die Elektroden angelegt sind. Fig. 18 zeigt die gemessene Frequenz von Spitzenumwandlung, die über der Abstimmspannung aufgetragen ist. Von diesen Daten wird eine Abstimmempfindlichkeit von 0,103 mm/V berechnet. Angenommen, eine SAW-Geschwindigkeit von 3750 m/sek ergibt eine Doppelbrechung bei null Spannung von etwa 0,071. Dies würde einen Überlappungsfaktor Γ = 0,56 anzeigen.
Um die Geschwindigkeit dieser Abstimmtechnik zu messen, wurde das Element auf eine akustische Frequenz eingestellt, die etwa dem 50%-Transmission-Punkt der Filterantwort entspricht. Dann wurde eine elektrische Modulation an die Abstimmelektrode angelegt, und die resultierende Modulation des Ausgangssignals wurde mit einem Hewlett-Packard-71400 Lichtwellensignalanalysator gemessen. Die Antwort war abgeflacht auf etwa 150 MHz mit einer nachfolgenden Absenkung. Diese Geschwindigkeit ist durch den Mikrowellenverlust bei den relativ dünnen (400 nm) Elektroden, die langen Verbindungsdrähte und dem Mangel an Beendigung auf den Elektroden beschränkt. Trotzdem ist dies mehr als drei Größenordnungen schneller als das, was mit SAW-Frequenzabstimmung möglich ist.
Fig. 19 zeigt Abstimmkurven für ein Element mit einer Elektrode, die in drei Teile geteilt ist, ähnlich wie die in Fig. 10 gezeigten Elektroden. Die durchgezogene Kurve 201, die das Abstimmen ohne angelegte Vorspannung zeigt, ist sehr schlecht. Die gestrichelte Kurve 203, die mit Spannungen von 12,36, 10,45 und 1,49 auf den drei Teilen erhalten wird, zeigt eine stark verbesserte Antwort. Die gepunktete Kurve 205 ist ein Beispiel von absichtlichem Verstimmen, um eine breitere Antwort zu geben. Diese Figur zeigt außerdem, daß das Vorliegen von Elektroden die SAW nicht wesentlich dämpft, dies wird ersichtlich durch Beobachten, daß alle drei Elektroden die Form der Filterantwortkurve beeinflussen, was anzeigt, daß die SAW über die gesamte Länge des Elements vorliegt.
Aus dem vorhergehenden ist offensichtlich, daß das AOTF, das durch die Erfindung geschaffen ist, zahlreiche Vorteile bietet, die bisher nicht erreichbar waren. Ein solches AOTF kann konfiguriert und vorgespannt werden, um ungewünschte Seitenlappen in der Filterantwort zu unterdrücken, um asymmetrische Seitenlappen zu reduzieren und um die Auswirkungen von Temperaturstörungen und physikalischen Elementfehlern auszugleichen. Außerdem weist ein AOTF, das die vorliegende Erfindung umfaßt, eine Abstimmgeschwindigkeit auf, die mehrere Größenordnungen schneller ist als die, die in einem herkömmlichen AOTF erhalten werden kann. Ein AOTF, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung umfaßt, findet Anwendung als ein Modulator als auch als ein Filter. Ein abstimmbarer Laser, der die Erfindung umfaßt, bietet eine schnellere Abstimmantwort und eine beständigere Leistungsfähigkeit als andere abstimmbare Laser.

Claims

1. Ein akustooptisches abstimmbares Filter mit einer Basis (101; 135) aus doppelbrechendem akustooptischen Material, die angepaßt ist, um einen ankommenden Lichtstrahl zu empfangen, und einem Wandler (111; 149; 157), der auf ein elektrisches Signal anspricht, um eine akustische Welle in der Basis zu induzieren, wobei die akustische Welle wirksam ist, um den Polarisationsmodus von Licht zu ändern, das sich durch die Basis entlang eines Ausbreitungswegs ausbreitet und eine Frequenz innerhalb eines optischen Frequenzbandes aufweist, das durch die Frequenz der akustischen Welle und die optischen Eigenschaften der Basis definiert ist, aber nicht, um den Polarisationsmodus von Licht mit einer Frequenz außerhalb des optischen Frequenzbandes zu ändern, wobei das Filter ferner eine Mehrzahl von Elektroden (115, 117; 151, 153, 159, 161) benachbart zu der Basis (101; 135) und eine Spannungsquelle (119) in elektrischer Kommunikation mit den Elektroden umfaßt, wobei die Spannungsquelle wirksam ist, um ein Potential über die Elektroden festzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden konfiguriert sind, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das räumlich entlang dem Ausbreitungsweg zwischen den Elektroden variiert.

2. Ein Filter gemäß Anspruch 1, bei dem die Basis (101; 135) ein kristallines Substrat und einen optischen Wellenleiter (107; 137), der in einer Oberfläche des Substrats gebildet ist, umfaßt, und bei dem die Steuereinrichtung (115, 117; 151, 153, 159, 161) benachbart zu dem Wellenleiter angeordnet ist.

3. Ein Filter gemäß Anspruch 1 oder 2, das ferner einen Mittelabschnittpolarisator (163) umfaßt, der an dem Wellenleiter (137) derart positioniert ist, daß Licht, das sich durch den Wellenleiter ausbreitet, durch den Polarisator verläuft, wobei der Polarisator den Wellenleiter in eine erste Stufe (147) und in eine zweite Stufe (155) unterteilt.

4. Ein Filter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine der Elektroden eine Mehrzahl von Teilelektroden (117, 179, 181) umfaßt, wobei jede Teilelektrode benachbart zu einer anderen Region der Basis angeordnet ist als die anderen Teilelektroden, und bei dem die Spannungsquelle wirksam ist, um unterschiedliche Potentiale an verschiedene der Teilelektroden anzulegen, und dadurch elektrische Felder von unterschiedlicher Stärke durch die unterschiedlichen Regionen der Basis als das räumlich variierende elektrische Feld zu erzeugen.

5. Ein Filter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine der Elektroden ein Widerstandselement (183) umfaßt, und bei dem die Spannungsquelle wirksam ist, um einen Spannungsabfall über das Widerstandselement festzulegen, um ein räumlich variierendes Potential zwischen den Elektroden zu erzeugen, und dadurch das räumlich variierende elektrische Feld zu erzeugen, das sich durch die Basis erstreckt.

6. Ein Filter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine der Elektroden (185) von einer anderen der Elektroden (187) durch ein räumlich variierendes Intervall beabstandet ist, um das räumlich variierende elektrische Feld zu erzeugen, das sich durch die Basis erstreckt.

7. Ein Filter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Spannungsquelle eine Einrichtung (199, 203) umfaßt, um ein Potential zu erzeugen, das jede Verschlechterung der Filterleistungsfähigkeit aufgrund von (a) Herstellungsdefekten in der Basis und (b) Umgebungseffekten auf die Basis kompensiert.

8. Ein Filter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Spannungsquelle eine Einrichtung (221) umfaßt, die auf ein Abstimmsignal anspricht, um ein Potential zu erzeugen, das das Filter auf ein gewünschtes Frequenzband abstimmt.

9. Ein Filter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Spannungsquelle eine Einrichtung (227) umfaßt, die auf ein Modulationssignal anspricht, um ein Potential zu erzeugen, das Licht, das sich durch die Basis ausbreitet, mit Informationen moduliert, die durch das Modulationssignal getragen werden.

10. Ein Filter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Eingangspolarisator (131; 165) und einen Ausgangspolarisator (133; 167) umfaßt, die benachbart zu entgegengesetzten Enden (103, 109; 139, 141) der Basis (101; 135) angeordnet sind, so daß ein Eingangslichtstrahl durch den Eingangspolarisator, dann die Basis und dann den Ausgangspolarisator verläuft, wobei die Polarisatoren ausgerichtet sind, um ein Sperrfilter zu definieren, das Licht mit einer Frequenz außerhalb des definierten optischen Frequenzbandes durchläßt, und Licht mit einer Frequenz innerhalb des Frequenzbandes dämpft.

11. Ein Filter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das ferner einen Eingangspolarisator (131; 165) und einen Ausgangspolarisator (133; 167) umfaßt, die benachbart zu entgegengesetzten Enden (103, 109; 139, 141) der Basis (101; 135) angeordnet sind, so daß ein Eingangslichtstrahl durch den Eingangspolarisator, dann die Basis und dann den Ausgangspolarisator verläuft, wobei die Polarisatoren ausgerichtet sind, um ein Bandpaßfilter zu definieren, das Licht mit einer Frequenz innerhalb des definierten optischen Frequenzbandes durchläßt, und Licht mit einer Frequenz außerhalb des Frequenzbandes dämpft.

12. Ein Filter gemäß Anspruch 3, bei dem:

die Spannungsquelle und die Elektroden angepaßt sind, um ein erstes Potential über die erste Stufe und ein zweites Potential über die zweite Stufe anzulegen, wobei das erste Potential angepaßt ist, um Seitenlappen auf einer Seite des definierten optischen Frequenzbandes zu dämpfen, und das zweite Potential angepaßt ist, um Seitenlappen auf der anderen Seite des Frequenzbandes zu dämpfen.

13. Ein Verfahren zum Steuern eines akustooptischen abstimmbaren Filters gemäß Anspruch 1, durch das sich Licht entlang eines Ausbreitungsweges ausbreitet, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen der Mehrzahl von Elektroden über das akustooptische abstimmbare Filter auf eine Weise, daß dasselbe entlang dem Ausbreitungsweg zwischen den Elektroden räumlich variiert, und durch Einstellen der Intensität des elektrischen Feldes, um eine optische Eigenschaft des akustooptischen abstimmbaren Filters zu steuern.

14. Ein Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem das Einstellen der Intensität des elektrischen Feldes das Messen der Temperatur des akustooptischen abstimmbaren Filters und das Verwenden der gemessenen Temperatur, um die Intensität des elektrischen Feldes zu ändern, um jegliche Verschlechterung der Filterleistungsfähigkeit aufgrund einer Änderung der gemessenen Temperatur zu kompensieren, umfaßt.

15. Ein abstimmbarer Laser, der folgende Merkmale aufweist:

einen optischen Verstärker (237) zum Verstärken eines optischen Signals und einen optischen Leiter (241, 249, 251, 253), der einen optischen Weg (247) für einen Lichtstrahl von dem Verstärker zurück zu dem Verstärker und ferner einen optischen Weg (245) von dem Verstärker zu einem Laserstrahlausgang definiert;

eine längliche Basis (135) aus doppelbrechendem akustooptischem Material mit einem optischen Wellenleiter (137), der in derselben gebildet ist, wobei der Wellenleiter in dem optischen Weg (247) positioniert ist;

einen Wandler (149, 157), der auf ein elektrisches Signal anspricht, um eine akustische Welle in der Basis zu induzieren, wobei die akustische Welle wirksam ist, um den Polarisationsmodus von Licht zu ändern, das sich durch den Wellenleiter ausbreitet und eine Frequenz aufweist, die durch die akustische Welle und die Basis definiert ist;

eine Einrichtung zum Senden eines elektrischen Signals an den Wandler; und

eine Steuereinrichtung zum Steuern einer optischen Eigenschaft des Wellenleiters durch elektrisches Einstellen der Doppelbrechung des akustooptischen Materials, um die Doppelbrechung räumlich entlang des Ausbreitungsweges zu variieren, und dadurch den Laser abzustimmen, wobei die Steuereinrichtung eine Spannungsquelle und eine Mehrzahl von Elektroden (151, 153, 159, 161) umfaßt, die zu dem Wellenleiter benachbart sind und konfiguriert sind, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das entlang dem Wellenleiter zwischen den Elektroden räumlich variiert, wobei die Spannungsquelle wirksam ist, um ein Potential über die Elektroden festzulegen.

16. Ein abstimmbarer Laser gemäß Anspruch 15, der ferner folgende Merkmale aufweist:

einen Eingangspolarisator (165) in dem optischen Weg zwischen dem optischen Verstärker und einem ersten Ende (139) des Wellenleiters, wobei der Eingangspolarisator für Licht durchlässig ist, das in einem ersten Modus polarisiert ist, und Licht dämpft, das in einem zweiten Modus polarisiert ist; und

einen Ausgangspolarisator (167) in dem optischen Weg zwischen dem optischen Verstärker und einem zweiten Ende (141) des Wellenleiters, wobei der Ausgangspolarisator für Licht durchlässig ist, das in dem zweiten Modus polarisiert ist, und Licht dämpft, das in dem ersten Modus polarisiert ist.

17. Ein abstimmbarer Laser gemäß Anspruch 15, der ferner folgende Merkmale aufweist:

einen Eingangspolarisator (165) in dem optischen Weg zwischen dem optischen Verstärker und einem ersten Ende (139) des Wellenleiters, wobei der Eingangspolarisator für Licht durchlässig ist, das in einem ersten Modus polarisiert ist, und Licht dämpft, das in einem zweiten Modus polarisiert ist;

einen Mittelabschnittpolarisator (163) zwischen einem ersten Abschnitt des Wellenleiters und einem zweiten Abschnitt des Wellenleiters, wobei jeder Abschnitt eine Filterstufe definiert, und wobei der Mittelabschnittpolarisator für Licht durchlässig ist, das in dem zweiten Modus polarisiert ist, und Licht dämpft, das in dem ersten Modus polarisiert ist; und

einen Ausgangspolarisator (167) in dem optischen Weg zwischen dem optischen Verstärker und einem zweiten Ende (141) des Wellenleiters, wobei der Ausgangspolarisator für Licht durchlässig ist, das in dem ersten Modus polarisiert ist, und Licht dämpft, das in dem zweiten Modus polarisiert ist.