DE69628422T2

DE69628422T2 - Polaristionsunabhängiger elektrooptisch geschalteter richtkoppler

Info

Publication number: DE69628422T2
Application number: DE69628422T
Authority: DE
Inventors: L. Terry SMITH; V. Daniel ATTANASIO; E. James WATSON
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-03-22
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: EP0815491A1; WO1996029626A1; JPH11502320A; EP0815491B1; US5495544A; DE69628422D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell elektrooptisch geschaltete direktionale Koppler und insbesondere einen elektrooptisch geschalteten direktionalen Koppler unter Verwendung von Rückwärts-Differentialausbreitungskonstanten(Δβ-) Steuerung, der verbesserte polarisationsunabhängige und betriebsspannungstolerante Eigenschaften aufweist.
Elektrooptisch geschaltete direktionale Koppler werden typischerweise in optischen Vorrichtungen und Systemen verwendet, um Lichtsignale unter Wellenleitern zu schalten, die in einem elektrooptischen Material optisch miteinander gekoppelt sind. Bei einer typischen Anwendung wird ein mit 2 × 2-Konfiguration ausgelegter elektrooptisch geschalteter direktionaler Koppler z. B. an Eingangs-Ports mit einem ersten Paar optischer Fasern verbunden und an Ausgangs-Ports mit einem zweiten Paar optischer Fasern verbunden. Ein Paar von Wellenleitern, die in dem elektrooptischen Material ausgebildet sind, überträgt Lichtsignale von den Eingangs-Ports zu den Ausgangs-Ports durch einen Kopplungsbereich, in dem die Lichtsignale entweder zwischen Kanälen kreuzen oder in dem gleichen Kanal verbleiben. Beispielsweise kann ein Lichtsignal, das in einen Eingangs-Port für einen ersten Wellenleiter eintritt, in dem direktionalen Koppler des 2 × 2-Typs derart übertragen werden, dass es an einen Ausgangs-Port für einen zweiten Wellenleiter austritt, wobei man in diesem Fall davon spricht, dass sich der direktionale Koppler in einem "Kreuzungs"-Zustand befindet. Alternativ kann das in den Eingangs-Port für den ersten Wellenleiter eintretende Lichtsignal durch den direktionalen Koppler des 2 × 2-Typs durchgeleitet werden, so dass es in dem ersten Wellenleiter verbleibt und an einem Ausgangs-Port für den ersten Wellenleiter austritt, wobei man in diesem Fall davon spricht, dass sich der direktionale Koppler in einem "Linien"-Zustand befindet. Da die Lichtsignale in beiden Richtungen durch den direktionalen Koppler des 2 × 2-Typs geleitet werden können, können die Lichtsignale auch an den Ausgangs-Ports "eintreten" und an den Eingangs-Ports "austreten".
Idealerweise ist der direktionale Koppler ausgelegt zum elektrooptischen Schalten der Lichtsignale zwischen dem Kreuzungs-Zustand und dem Linien-Zustand als Reaktion auf ein elektrisches Feld, das an den Kopplungsbereich in dem direktionalen Koppler angelegt wird. Der Kopplungsbereich ist in dem direktionalen Koppler in einem Bereich angeordnet, in dem die Wellenleiterkanäle sehr nahe aneinander liegen. In diesem Bereich sind die Wellenleiterkanäle derart ausgebildet, dass sie das Lichtsignal nicht derart einschränken, dass dieses in einem bestimmten Kanal bliebe. Folglich hat ein den Kopplungsbereich durchlaufendes Lichtsignal die Freiheit, in einem Wellenleiterkanal zu verbleiben, in den anderen Wellenleiterkanal überzuwechseln oder beides zu tun, je nach den optischen Übertragungseigenschaften der Wellenleiterkanäle in dem Kopplungsbereich. Wenn ein elektrisches Feld an den Kopplungsbereich eines elektrooptischen Materials angelegt wird, kann das elektrische Feld die optischen Übertragungseigenschaften der Wellenleiterkanäle verändern. Folglich kann auch die Weise verändert werden, in der das Lichtsignal durch den Kopplungsbereich hindurchtritt.
Bei einem herkömmlichen elektrooptisch geschalteten direktionalen Koppler sind zwei Einmoden-Wellenleiterkanäle in einem elektrooptisch aktiven Substrat ausgebildet, und zwar durch Erhöhen des effektiven Brechungsindexes des Substrats in einem den Wellenleiterkanälen entsprechenden Bereich. In einem Kopplungsbereich, in dem die Wellenleiterkanäle physisch eng aneinanderliegen, überlappen die unendlich kleinen optischen Felder der beiden Kanäle einander, was in einer optischen Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen resultiert. Der Effekt der Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen kann selektiv gesteuert werden durch elektrooptisches Modifizieren des Brechungsindexes in dem Kopplungsbereich über ein elektrisches Feld, das von zwei Elektrodenpaaren erzeugt wird, die in dem Kopplungsbereich nahe den Wellenleiterkanälen angeordnet sind. Bei der in dieser Weise erfolgenden Verwendung zweier Elektrodenpaare spricht man von einem direktionalen Koppler mit Verwendung von Rückwärts-Differentialausbreitungskonstanten-Steuerung (Δβ). Statt eines einzigen Elektrodenpaars werden zum Modifizieren des Brechungs indexes des Kopplungsbereichs zwei Elektrodenpaare oder alternativ zwei unabhängige Steuerelektroden und eine einzige gemeinsame Elektrode verwendet, um eine bessere Steuerung des Schaltzustands des direktionalen Kopplers zu erzielen.
Obwohl es wünschenswert wäre, dass sich der direktionale Koppler exakt wie ein digitaler Schalter verhielte, der entweder stets eingeschaltet wäre (Linien-Zustand) oder vollständig ausgeschaltet wäre (Kreuzungs-Zustand), ist die Steuerung des Lichts während seines Durchlaufs durch den Koppler nicht derart einfach. In der Praxis verhält sich ein elektrooptisch geschalteter direktionaler Koppler eher wie ein leckendes Zweiwegeventil, wobei der Großteil des Lichtsignals durch den gewünschten Wellenleiterkanal hindurchgeleitet wird, jedoch ein Teil des Lichtsignals aus dem anderen Wellenleiterkanal ausleckt. Solange jedoch die relative Differenz zwischen den optischen Ausgangssignalen jedes Wellenleiterkanals groß genug ist, ist es immer noch möglich, den Koppler als wirksamen optischen Schalter zu verwenden. Wenn diese relative Differenz zwischen den optischen Ausgangsleistungen sämtlicher Wellenleiterkanäle als Verhältnis ausgedrückt wird, wird es als Schaltlöschverhältnis des direktionalen Kopplers bezeichnet. Aus Gründen der Konvention wird das Löschverhältnis des Rückwärts-Δβ-Direktionalkopplers normalerweise definiert als 10log₁₀(c/b), wobei b die Ausgangsleistung des Linien-Ports und c die Ausgangsleistung des Kreuzungs-Ports ist. Wenn sich der direktionale Koppler in der gewünschten Weise eines Digitalschalters verhält, ist das Löschverhältnis typischerweise größer als 15 dB, was bedeutet, dass weniger als 1/30 des Lichtsignals aus dem nicht intendierten Port des direktionalen Kopplers austritt. Um einen Rückwärts-Δβ-Steuerungs-Direktionalkoppler in der gewünschten Weise als Digitalschalter zu betätigen, existiert ein Überkreuzungszustands-Set von Spannungen V_1c und V_2c, der die Betriebsspannungen repräsentiert, die an das Paar von Elektroden angelegt werden sollten, um einen bestimmten direktionalen Koppler dazu zu veranlassen, im Kreuzungs-Zustand zu arbeiten. Zusätzlich existiert ein Linienzustands-Set von Spannungen V_1b und V_2b, der den Betriebsspannungen entspricht, die an das Paar von Elektro den angelegt werden sollten, um den gleichen direktionalen Koppler dazu zu veranlassen, in dem Linien-Zustand zu arbeiten.
Vor diesem Hintergrund kann nun der derzeitige Zustand der Bemühungen diskutiert werden, den Betrieb und die Nützlichkeit von Rückwärts-Δβ-Steuerungs-Direktionalkopplern zu verbessern. Diese Bemühungen fallen generell unter eine von vier Kategorien: (1) Bemühungen zum Vergrößern des Schaltlöschverhältnisses der Vorrichtung; (2) Bemühungen zum Verkleinern oder Verschieben der zum Betätigen der Vorrichtung erforderlichen Betriebsspannungen; (3) Bemühungen zum Reduzieren der Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber normalen Vibrationen während Betriebszuständen; und (4) Bemühungen zum Reduzieren der Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber Schwankungen im Herstellungsprozess. Obwohl die vorliegende Erfindung auf die letzteren beiden dieser vier Kategorien abzielt, ist es hilfreich, die Eigenart der bisherigen Arbeit in den anderen beiden Kategorien zu untersuchen, um zu verstehen, warum diese Arbeit nicht notwendigerweise mit den Zielvorgaben der vorliegenden Erfindung zusammenhängt.
Verschiedenartige konzeptuelle Ansätze zum Vergrößern des Schaltlöschverhältnisses von direktionalen Kopplern sind beschrieben in US-A-5,255,334, darunter die Bildung zusätzlicher Teilwellenleiter zwischen den Wellenleiterkanälen, die Verwendung zusätzlicher Elektroden außerhalb des Kopplungsbereichs, und die Bildung zusätzlicher Teil-Übergänge in Wellenleiterkanälen. In Electronics Letters 23, Nr. 21, B. Oktober 1987, p. 1145 ist ein direktionaler Koppler beschrieben, bei dem Wellenleiterkanäle mit unterschiedlichen Breiten verwendet werden, um eine eingebaute Asymmetrie zwischen den Wellenleiterkanälen zu schaffen, welche die Betriebsspannungen des direktionalen Kopplers reduziert. GB-B-2 223 323 beschreibt einen gekrümmten direktionalen Koppler, bei dem ebenfalls eine eingebaute Asymmetrie erzeugt werden soll, indem unterschiedliche Radien der Wellenleiterkanäle verwendet werden, um die Relativposition der Betriebsspannungen der Vorrichtung zu bewegen. Das Japanische Patent HEI 1[1989]-243037 von Ohta beschreibt eine S förmige Kurve mit sanft variierender Krümmung für die Wellenleiterkanäle, mit der beide dieser Vorteile erreicht werden sollen.
Ein gemeinsames Problem bei sämtlichen dieser direktionalen Koppler besteht darin, dass die verschiedenen Konzepte im Effekt die Abhängigkeit des Kopplers von der Polarisierung der Lichtsignale ignorieren, die durch den Koppler hindurchtreten. In jeder dieser Schriften werden "ideale oder kontrollierte Betriebsbedingungen" für einen einzelnen direktionalen Koppler angenommen, der entsprechend den Schriften ausgebildet ist. Insbesondere befasst sich keine der Schriften mit dem Fall eines optischen Signals mit unkontrollierter Polarisierung.
In keiner dieser Schriften wird das Problem von "Variationen der Vorrichtungen untereinander" angesprochen, das aufgrund der Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber Abweichungen im Herstellungsvorgang besteht. Bei der Verwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung beziehen sich die Betriebsbedingungen auf die Umgebungs- und Steuer-Bedingungen, unter denen die Vorrichtung verwendet werden soll, einschließlich z. B. der Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit, Betriebsspannungsabweichungen und den Eingangslichtsignal-Bedingungen, einschließlich der Polarisierung der Eingangs-Lichtsignale. In der Praxis wird die Leistung einer Gruppe ähnlicher elektrooptischer Vorrichtungen nicht nur durch die Empfindlichkeit einer gegebenen Vorrichtung gegenüber den Betriebsbedingungen bestimmt, sondern auch durch die Variationen der Vorrichtungen untereinander, die durch unvermeidliche Differenzen in ihrer Herstellung verursacht werden.
Bei der Anwendung im praktischen Bereich außerhalb einer Laborumgebung werden durch den Mangel an idealen oder kontrollierten Betriebsbedingungen die Probleme der Variationen der Vorrichtungen untereinander noch komplizierter, wenn bei einer Gruppe elektrooptischer Koppler die Variationen der Vorrichtungen untereinander groß sind. Falls die Variation von Vorrichtung zu Vorrichtung so groß ist, dass eine individuelle Abstimmung jeder Vorrichtung erforderlich ist, um einen korrekten Betrieb zu gewährleisten, dann ist keine Massenproduktion oder gegenseitige Austauschbarkeit der Vorrichtungen außerhalb der Laborumgebung möglich. Unter den Betriebsbedingungen in der Praxis haben diese Aspekte zu zwei großen Problemen geführt, die derzeit eine weite Verwendung elektrooptisch geschalteter direktionaler Koppler außerhalb einer Laborumgebung einschränken: (1) dem Mangel an Polarisierungs-Unabhängigkeit; und (2) dem Mangel an Gleichförmigkeit der Betriebsspannung der Vorrichtungen untereinander.
Die Polarisierungs-Unabhängigkeit betrifft die Fähigkeit einer optischen Vorrichtung, ihre beabsichtigte Funktion unabhängig von der Polarisierung des Lichtsignals zu erfüllen. Die Polarisierung eines Lichtsignals ist definiert als die Orientierung der Komponenten des elektrischen Felds, die das Lichtsignal umfassen, während das Lichtsignal elektromagnetisch durch einen Wellenleiter hindurchgeschickt wird. Eine elektrische Quer- (TE-) Polarisation ist definiert in dem Sinn, dass das elektrische Feld, welches das Lichtsignal aufweist, parallel zu der Oberfläche des Substrats oder Kanals verläuft, durch das bzw. den sich das Lichtsignal ausbreitet. Eine querverlaufende magnetische (TM-) Polarisation ist definiert in dem Sinn, dass das durch das Lichtsignal erzeugte elektrische Feld rechtwinklig zu der Oberfläche des Substrats oder Kanals verläuft.
Bei den meisten praktischen Anwendungen befinden sich die in einem direktionalen Koppler verlaufenden Lichtsignale in einem unkontrollierten Polarisationszustand. Somit ist es wünschenswert, dass die optische Vorrichtung polarisationsunabhängig dahingehend ist, dass die Vorrichtung aufgrund ihrer Ausgestaltung in jedem Polarisationszustand gleichermaßen gut funktioniert. nachteiligerweise ist es sehr schwierig, einen direktionalen Koppler unabhängig auszugestalten. Bei zahlreichen optischen Vorrichtungen, in denen existierende direktionale Koppler verwendet werden, ist das Problem der Polarisationsunabhängigkeit einfach ignoriert worden. Obwohl diese Vorrichtungen unter den richtigen Bedingungen wie erwartet funktionieren, gibt es Bedingungen, unter denen sich die Vorrichtung nicht wie erwartet verhält. Bei den meisten optischen Vorrichtungen, in denen existierende direktionale Koppler verwendet werden, wird dieses Problem insgesamt vermieden, indem Lichtsignale mit kontrollierter Polarisation verwendet werden, um zu gewährleisten, dass das gesamte Licht, das durch den Koppler tritt, in der gleichen Ausrichtung polarisiert wird.
Bei denjenigen direktionalen Kopplern, bei denen der Versuch unternommen wurde, eine Polarisationsunabhängigkeit zu erzielen, besteht ein gemeinsamer Lösungsansatz darin, die Geometrien des direktionalen Kopplers sorgfältig zu steuern, indem die Länge (L) des Kopplungsbereichs und/oder der Abstand (G) zwischen den Wellenleiterkanälen im Kopplungsbereich derart gewählt werden, dass eine effektive Kopplungslänge (l) gesteuert wird, mittels derer unabhängig von der Polarisation des Lichtsignals die Linien- und Kreuzungs-Zustände konsistent gemacht werden.
JP-B-1[1989]-243037 versucht die Polarisationsabhängigkeit mittels eines Paars von Wellenleitern zu beseitigen, die als S-förmige Kurve mit sanft variierender Krümmung für die Wellenleiterkanäle konfiguriert sind. Diese Schrift lehrt, dass die Krümmung der den S-förmigen Koppler bildenden Bereiche derart ausgestaltet sein kann, dass eine positive Phasendifferenz (Δβ) an einer Seite des Kopplers eine negative Phasendifferenz (Δβ) an der gegenüberliegenden Seite des Kopplers und "alle" Optiksignal-Verschiebungen von einem Wellenleiter zum anderen bei Abwesenheit einer angelegten Spannung ausgleicht.
Ein alternativer Ansatz zum Erzielen der Polarisationsunabhängigkeit ist beschrieben in US-A-4,243,295, wobei eine räumliche Verjüngung des Zwischenraums (G) zwischen den Mitten der Wellenleiter vorgesehen ist, um den TEund TM-Linien-Zustand beizubehalten, während die Kopplung zum Erzielen des Kreuzungs-Zustands unabhängig gewählt werden kann. Ein weiterer Ansatz zum Erzielen der Polarisationsunabhängkeit, bei dem ein mit vier Abschnitten ausgebildeter optischer Koppler mit zusätzlichen Elektroden und einer zusätzlichen Steuerschaltung verwendet wird, ist beschrieben in US-A-5,202,941.
Nachteiligerweise bietet keine dieser Techniken eine optimale Lösung des Problems der Schaffung von Polarisationsunabhängigkeit in einem direktionalen Koppler. Bei dem herkömmlichen Ansatz muss der Hersteller des direktionalen Kopplers die Möglichkeit des freien Wählens der Länge L und des Abstands G, die andernfalls zum Erzielen anderer Konstruktionsvorgaben variiert werden könnten, opfern. Obwohl bei dem in US-A-4,243,295 beschriebenen verjüngt ausgebildeten Koppler die Beschränkungen des herkömmlichen Ansatzes etwas reduziert sind, existieren die gleichen Arten von Beschränkungen für die Freiheit der Wahl der Längen L und der Abstände G, die tatsächlich nutzbar sind. Bei dem mit vier Abschnitten ausgebildeten optischen Koppler gemäß US-A-5,202,941 wird durch den zusätzlichen Elektroden- und Steuerschaltungsaufwand die Komplexität sowohl der Herstellung als auch der Steuerung der Vorrichtung erhöht.
Die Betriebsspannungs-Toleranz der Vorrichtungen untereinander betrifft den Toleranzbereich der Betriebsspannungen V₁ und V₂ zum Aufrechterhalten eines gegebenen Schaltzustands für eine Gruppe gleichartiger direktionaler Koppler. Der Toleranzbereich der Betriebsspannungen ist hauptsächlich durch zwei Faktoren bestimmt. Erstens können Variationen der Betriebsspannungseigenschaften durch Prozessvariationen bei der Herstellung mehrerer direktionaler Koppler verursacht werden. Zweitens treten Variationen der Betriebsspannung einhergehend mit Variationen von Umweltbedingungen auf, wie z. B. Temperatur, Feuchtigkeit, Einwirkung elektrischer Felder, Alterung und dgl.
Größere Betriebsspannungen sind mindestens in dreifacher Hinsicht vorteilhaft. Erstens wird durch größere Betriebsspannungstoleranzen die Herstellungsausbeute verbessert. Die Verbesserung der Herstellungsausbeute wird verständlich angesichts der Tatsache, dass die Polarisierungsunabhängigkeit eine Koinzidenz der Betriebsspannungen für die beiden Haupt-Polarisationsmodi verlangt, was eine präzise Steuerung der Kopplungseigenschaften der Wellenleiter erfordert. Da die Kopplungseigenschaften eines Wellenleiters stark abhängig von den Details des Herstellungsvorgangs sind, können geringe Fluktuationen der Herstellungsprozessbedingungen die Auswirkung haben, dass die Kopplungseigenschaften leicht unterschiedlich von den beabsichtigten Ziel-Eigenschaften ausfallen, die für die Koinzidenz erforderlich sind. Folglich können möglicherweise die Betriebsspannungen der Linien-Zustände und der Kreuzungs-Zustände nicht koinzidieren, und die Vorrichtung wäre dann nicht in der Lage, die Betriebs-Spezifikationen zu erfüllen, wobei in diesem Fall Zeit, Arbeitsaufwand und Rohmaterialien zur Herstellung der Vorrichtung verschwendet würden. Zweitens erweitern größere Spannungstoleranzen den Bereich von Umweltbedingungen, unter denen eine gegebene Vorrichtung arbeitet. Wenn die Betriebsbedingungen schwanken, insbesondere die Bedingungen der unmittelbaren Umgebung wie Temperatur oder Wellenlänge, verändern sich die für den korrekten Betriebs der beiden Haupt-Polarisationsmodi erforderlichen Betriebsspannungen, üblicherweise durch unterschiedliche Beträge für jeden Polarisationsmodus. Falls diese Veränderungen bewirken, dass die Betriebsspannungen für die unterschiedlichen Polarisierungen sich aus der Koinzidenz herausbewegen, hört die Vorrichtung auf, polarisationsunabhängig zu sein. Schließlich reduzieren größere Betriebsspannungen die Notwendigkeit des Überwachens des Schaltzustands zwecks Durchführung einer Feedback-Steuerung für die Betriebsspannungen. Durch diese Reduzierung der Notwendigkeit der Feedback-Steuerung wird die Verwendung der Vorrichtung unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen vereinfacht, einschließlich des Kompensierens von Veränderungen mit zunehmendem Alter der Vorrichtung. Folglich ist die Vorrichtung leichter und kostengünstiger herzustellen und zu verwenden, und die Vorrichtung kann in einem weiteren Bereich von Anwendungsfällen verwendet werden.
Während ein zunehmendes Interesse an der Verwendung rückwärts-Δβ-gesteuerter direktionaler Koppler für optische Vorrichtungen und Systeme besteht, haben die derzeitigen Limitationen hinsichtlich der Polarisationsunabhängigkeit und der Betriebsspannungs-Toleranzen die Verwendung dieser Vorrichtungen im Effekt auf Laborumgebungen oder solche Situationen beschränkt, in denen die Kosten zum künstlichen Simulieren der Laborbedingungen durch Polarisationssteuerung und individuelles Abstimmen der Spannungen für jeden Schalter keinen Hinderungsgrund darstellen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten rückwärts-Δβgesteuerten direktionalen Koppler zu schaffen, der die derzeitigen Limitationen hinsichtlich der Polarisationsunabhängigkeit und der Betriebsspannungs-Toleranzen der Vorrichtungen untereinander überwindet.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen elektrooptisch geschalteten direktionalen Koppler gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Merkmale bevorzugter Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein elektrooptisch geschalteter direktionaler Koppler geschaffen, bei dem eine Rückwärts-Differentialausbreitungskonstanten-Steuerung verwendet wird. Der direktionale Koppler weist ein elektrooptisches Material auf, in dem mindestens ein Paar von Wellenleiterkanälen in einem Interaktionsbereich angeordnet ist, der eine vorgegebene Länge (L) hat und in dem ein vorgegebener effektiver Abstand (G) zwischen den Wellenleiterkanälen besteht, welcher durch eine effektive Kopplungslänge spezifiziert ist. Mindestens ein Paar von Elektroden erzeugen an den Wellenleiterkanälen selektiv ein elektrisches Feld, das eine Lichtausbreitungskonstante der Wellenleiterkanäle elektrooptisch ändert, um eine optische Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen zu variieren. Eine Differential-Optikweg-Länge zwischen den Wellenleiterkanälen wird in einer nicht elektrooptischen Weise erzeugt, um ein Set von Betriebsspannungen für einen optischen Schaltzustand des direktionalen Kopplers für eine Transversal-Magnet- (TM-) Polarisation mit einem Set von Betriebsspannungen für den optischen Schaltzustand des direktionalen Kopplers für einen transversalelektrischen (TE-) Polariationsmodus koinzidieren zu lassen. Durch Vornehmen dieser Modifikation der Wellenleiterkanäle ist der Betrieb der Vorrichtung als geschalteter direktionaler Koppler effektiv unabhängig von der Polarisation eines auf den direktionalen Koppler auftreffenden Lichtsignals, wenn Spannungen innerhalb dieser in Koinzidenz gebrachten Sets von Betriebsspannungen an die Elektroden des direktionalen Kopplers angelegt werden.
Der geschaltete direktionale Koppler, bei dem eine Rückwärts-Differentialausbreitungskonstanten-Steuerung verwendet wird, weist ferner ein elektrooptisches Material auf, das mindestens ein Paar von Wellenleiterkanälen innerhalb eines Interaktionsbereichs und mindestens ein Paar von Elektroden enthält, um selektiv ein elektrisches Feld an den Wellenleiterkanälen zu erzeugen, das die Lichtausbreitungskontante der Wellenleiterkanäle elektrooptisch verändert, um eine optische Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen zu variieren. Die Wellenleiterkanäle weisen einen Kurvenbereich auf, der durch einen konstanten Radius definiert ist, welcher derart gewählt ist, dass ein Set von Betriebsspannungen für einen Kreuzungs-Zustand des direktionalen Kopplers für einen transversal-magnetischen (TM-) Polarisationsmodus mit einem Set von Betriebsspannungen für einen Kreuzungs-Zustand des direktionalen Kopplers für einen für einen transversal-elektrischen (TE-) Polarisationsmodus in Koinzidenz gebracht wird. Die Koinzidenz dieser Sets von Betriebsspannungen wird erzielt durch Verschieben des Sets von Betriebsspannungen für den Kreuzungs-Zustand des TM-Polarisationsmodus relativ zu dem Set von Betriebsspannungen für den Kreuzungs-Zustand des TE-Polarisationsmodus aufgrund der relativen Differenz zwischen der Größe des elektrooptischen Effekts des TM-Polarisationsmodus-Lichtsignals in dem Krümmungsbereich und der Größe des elektrooptischen Effekts des TE-Polarisationsmodus-Lichtsignals in dem Krümmungsbereich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Krümmungsbereich der Wellenleiterkanäle, der in der nicht elektrooptischen Modifikation der relativen Lichtweg-Längen der Arme des direktionalen Kopplers resultiert, definiert durch einen derartigen konstanten Radius R, dass 4nGL/3λF ≤ R ≤ 6nGL/λ, wobei n = Brechungsindex des elektrooptischen Materials, λ = Wellenlänge des auf den direktionalen Koppler auftreffenden Lichtsignals, und F = r₁/(r₁ – r₂), wobei r₁ der stärkere und r₂ der schwächere elektrooptische Koeffizient für die beiden Polarisationsmodi ist. Dies lässt sich übersetzen in einen Radius R zwischen ungefähr 20 cm und 3 m und optimal zwischen ungefähr 0,5 und 2,0 m für LiNbO₃ bei Wellenleiterkanälen, die durch Dotieren von Ti gebildet sind, und Lichtsignalen mit einer Wellenlänge von 0,5 bis 2,0 μm. Ferner sind die Wellenleiterkanäle in dem Krümmungsbereich vorzugsweise nicht parallel, sondern definieren stattdessen einen konvergierenden Differential-Zwischen-Wellenleiterkanal-Abstand (G_d) mit einem effektiven Zwischen-Wellenleiterkanal-Abstand (G_d'), der gleich dem gegebenen Zwischen-Wellenleiterkanal-Abstand (G) ist. Mit dieser Struktur kann optional das Schaltlöschverhältnis der direktionalen Kopplers getrennt von der nicht elektrooptischen Modifikation der Lichtweg-Länge vergrößert werden.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung detaillierter beschrieben.
1 zeigt eine schematische Draufsicht eines herkömmlichen rückwärtsΔβ-gesteuerten direktionalen Kopplers, wobei Wellenleiter- und Elektroden-Konfigurationen gezeigt sind.
2a zeigen Verlaufsdarstellungen der Schaltlöschverhältnisse in Form und 2b der Betriebsspannungen V₁ und V₂ für den transvers-elektrischen (TE-) Polarisationsmodus bzw. den transver-magnetischen (TM-) Polarisationsmodus bei einem herkömmlichen rückwärts-Δβ-gesteuerten direktionalen Koppler mit sich verjüngender Kopplung.
2c zeigt eine zusammengesetzte Verlaufsdarstellung eines kombinierten Schaltlöschverhältnisses sowohl für den TE- als auch für den TM-Polarisationsmodus bei dem direktionalen Koppler gemäß 2a und 2b.
3a zeigen schematische Draufsichten eines gleichförmig gekrümmten und 3b und eines rückwärtsgekrümmten polarisationsunabhängigen rückwärts-Δβ-gesteuerten direktionalen Kopplers gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. ein Beispiel eines S-förmigen direktionalen Kopplers.
4a zeigen Verlaufsdarstellungen der Schaltlöschverhältnisse in Form und 4b der Betriebsspannungen V₁ und V₂ für den transvers-elektrischen (TE-) Polarisationsmodus bzw. den transver-magnetischen (TM-) Polarisationsmodus bei dem direktionalen Koppler gemäß 3a.
4c zeigt eine zusammengesetzte Verlaufsdarstellung eines kombinierten Schaltlöschverhältnisses sowohl für den TE- als auch für den TM-Polarisationsmodus bei dem direktionalen Koppler gemäß 4a und 4b.
5 zeigt eine schematische Draufsicht eines gleichförmig gekrümmten, verjüngt ausgebildeten, polarisationsunabhängigen rückwärts-Δβgesteuerten direktionalen Kopplers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6a zeigt ein Schaubild des Verhältnisses zwischen dem Spannungs-Versatz und dem invertierten Radius gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6b zeigt eine Tabelle der Radien-Bereiche bei verschiedenen elektrooptischen Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt ein Flussdiagramm der Entscheidungsschritte bei der Konzeption eines polarisationsunabhängigen rückwärts-Δβ-gesteuerten direktionalen Kopplers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei einem herkömmlichen direktionalen Koppler des 2 × 2-Typs, wie er beispielsweise in 1 gezeigt ist, leitet ein Paar von Einmoden-Wellenleitern 10 und 12 Lichtsignale zu und von einem elektrooptisch geschalteten direktionalen Koppler 14. Ein Lichtsignal, das aus dem ersten Wellenleiter an dem Port 10a in den Koppler 14 eintritt, kann innerhalb des Kopplers 14 derart übertragen werden, dass es in dem zweiten Wellenleiter an dem Port 12b austritt (wobei sich in diesem Fall der Koppler 14 in einem "Kreuzungs-Zustand" be findet), oder das Lichtsignal kann derart durch den Koppler 14 durchgeleitet werden, dass es in dem ersten Wellenleiter an dem Port 10b verbleibt (wobei sich in diesem Fall der Koppler 14 in einem "Linien-Zustand" befindet). Da die Lichtsignale in beiden Richtungen durch den Koppler 14 hindurchgeschickt werden können, könnte ein Lichtsignal auch in den Wellenleiter an dem Port 10b eintreten und derart übertragen werden, dass es aus dem zweiten Wellenleiter an dem Port 12a (dem "Kreuzungs"-Port) austritt, oder es könnte derart hindurchgeschickt werden, dass es in dem ersten Wellenleiter an dem Port 10a (dem "Linien"-Port) verbleibt.
Innerhalb des Kopplers 14 sind Wellenleiterkanäle 20 und 22 angeordnet, die miteinander gekoppelt sind, indem mindestens eine Länge (L) der Kanäle 20 und 22 mit einem effektiven Abstand (G) sehr eng aneinander positioniert sind. In diesem Bereich, der als Kopplungsbereich bekannt ist, sind die Wellenleiterkanäle 20 und 22 derart ausgebildet, dass sie das Lichtsignal nicht dahingehend beschränken, dass dieses in einem bestimmten Kanal verbleibt. Folglich hat ein durch den Kopplungsbereich 24 hindurchlaufendes Lichtsignal die Freiheit, in einem Wellenleiterkanal zu verbleiben, in den anderen Wellenleiterkanal überzuwechseln oder beides zu tun, je nach den optischen Übertragungseigenschaften der Wellenleiterkanäle 20 und 22 in dem Kopplungsbereich 24. Bei Nichtvorhandensein eines angelegten elektrischen Felds wird die charakteristische Länge, die für das Kreuzen eines Lichtsignals aus einem Wellenleiterkanal zu dem anderen erforderlich ist, als die effektive Kopplungslänge (l) bezeichnet. Wenn ein elektrisches Feld an den Kopplungsbereich 24 angelegt wird, verändert es die optischen Übertragungseigenschaften der Wellenleiterkanäle 20 und 22. Folglich kann auch die Weise verändert werden, in der das Lichtsignal durch den Kopplungsbereich 24 hindurchtritt.
Bei einem herkömmlichen elektrooptisch geschalteten direktionalen Koppler 14 sind Wellenleiterkanäle 20 und 22 in einem elektrooptisch aktiven Substrat 26 ausgebildet, und zwar durch Erhöhen des effektiven Brechungsindexes des Substrats 26 in den Wellenleitern. Da in dem Kopplungsbereich 24 die Wellenleiterkanäle 20 und 22 physisch eng aneinanderliegen, überlappen die unend lich kleinen optischen Felder der beiden Kanäle einander, was in einer optischen Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen 20 und 22 resultiert. Der Effekt der Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen kann selektiv gesteuert werden durch elektrooptisches Modifizieren des Brechungsindexes in dem Kopplungsbereich über ein elektrisches Feld, das von Elektrodenpaaren 30, 31 und 32, 33 erzeugt wird, die in dem Kopplungsbereich 24 nahe den Wellenleiterkanälen angeordnet sind. Bei der in dieser Weise erfolgenden Verwendung zweier Elektrodenpaare 30, 31 und 32, 33 spricht man von einem direktionalen Koppler mit Verwendung von Rückwärts-Differentialausbreitungskonstanten- (Δβ-) Steuerung. Statt eines einzigen Elektrodenpaars werden zwei Elektrodenpaare 30, 31 und 32, 33 oder alternativ zwei unabhängige Steuerelektroden (30 und 32) und eine einzige gemeinsame Elektrode (31 und 33 kombiniert) verwendet, um eine bessere Steuerung des Schaltzustands (des Kreuzungs-Zustands oder des Linien-Zustands) des direktionalen Kopplers 14 zu erzielen. Für eine detailliertere Erläuterung der Rückwärts-Differentialausbreitungskonstanten- (Δβ-) Steuerung mittels Elektroden-Paaren wird verwiesen auf R. V. Schmidt und K. Kogelnik, "Electro-optically switched coupler with stepped (Δβ reversal using Ti-diffused LiNbO₃ waveguides", Applied Physics Letters, Vol. 28, Nr. 9, 1. Mai 1976, pp. 503–506.
Obwohl es wünschenswert wäre, dass sich der Koppler 14 exakt wie ein digitaler Schalter verhielte, der entweder stets eingeschaltet wäre (Linien-Zustand) oder vollständig ausgeschaltet wäre (Kreuzungs-Zustand), ist die Steuerung des Lichts während seines Durchlaufs durch den Koppler 14 nicht derart einfach. In der Praxis verhält sich der Koppler 14 eher wie ein leckendes Zweiwegeventil, wobei der Großteil des Lichtsignals durch den gewünschten Wellenleiterkanal hindurchgeleitet wird, jedoch ein Teil des Lichtsignals aus dem anderen Wellenleiterkanal ausleckt. Solange jedoch die relative Differenz zwischen den optischen Ausgangssignalen jedes Wellenleiterkanals groß genug ist, ist es immer noch möglich, den Koppler 14 als wirksamen optischen Schalter zu verwenden, der zwei Betriebszustände aufweist, den Linien-Zustand und den Kreuzungs-Zustand.
Typischerweise wird der Betriebszustand eines direktionalen Kopplers 14 durch das Verhältnis der Lichtenergie bestimmt, die als Reaktion auf ein Lichtsignal, das auf den optischen Port 10a auftrifft, aus den beiden optischen Ports 10b und 12b austritt. Wenn die relative Differenz zwischen den optischen Ausgangsleistungen sämtlicher Wellenleiterkanäle als Verhältnis ausgedrückt wird, wird es als Schaltlöschverhältnis des direktionalen Kopplers 14 bezeichnet. Aus Gründen der Konvention wird das Löschverhältnis des Rückwärts-Δβ-Direktionalkopplers normalerweise definiert als 10log₁₀(c/b), wobei b die Ausgangsleistung des Linien-Ports und c die Ausgangsleistung des Kreuzungs-Ports ist. Wenn sich der direktionale Koppler in der gewünschten Weise als Digitalschalter verhält, ist das Löschverhältnis typischerweise größer als 15 dB, was bedeutet, dass weniger als 1/30 des Lichtsignals aus dem nicht intendierten Port des direktionalen Kopplers 14 austritt. Um einen Direktionalkoppler 14 in der gewünschten Weise als Digitalschalter zu betätigen, existiert ein Überkreuzungszustands-Set von Spannungen V_1c und V_2c, der die Betriebsspannungen repräsentiert, die an die Elektroden 30 und 32 angelegt werden sollten, um einen bestimmten direktionalen Koppler 14 dazu zu veranlassen, im Kreuzungs-Zustand zu arbeiten. Zusätzlich existiert ein Linienzustands-Set von Spannungen V_1b und V_2b, der den Betriebsspannungen entspricht, die an die Elektroden 30 und 32 angelegt werden sollten, um den gleichen direktionalen Koppler 14 dazu zu veranlassen, in dem Linien-Zustand zu arbeiten.
Der beste Weg zum Verstehen der Arbeitsweise eines gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung konzipierten direktionalen Kopplers besteht in der Untersuchung der "Übertragungsfunktion" des direktionalen Kopplers. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist die Übertragungsfunktion eine zweidimensionale Abbildung der Betriebszustände des direktionalen Kopplers für sämtliche möglichen Kombinationen von Betriebsspannungen V₁ und V₂ für den Kreuzungs-Zustand, oder V₁ und V₂ für den Linien-Zustand, oder eine Kombination der Betriebsspannungen für beide Zustände. Es versteht sich, dass bei unterschiedlichen Elektroden-Konfigurationen des direktionalen Kopplers (z. B. ein Paar von Elektroden oder drei oder mehr Paare von Elektroden), das Set von Betriebsspannungen für die Kreuzungs-Zustände und die Linien-Zustände der Vorrichtung eine Anzahl von Spannungswerten enthält, die der Anzahl von Elektrodenpaar-Kombinationen entspricht.
Zum Erzeugen der Übertragungsfunktion wird das Löschverhältnis für repräsentative Werte der Betriebsspannungen V₁ und V₂ gemessen, und die Ergebnisse werden als Gleichwert-Konturlinien auf einem Kontur-Diagramm abgebildet, wie z. B. in 2a und 2b gezeigt ist. Überall, wo eine positive Kontur besteht (d. h. Verhältnis größer als 1), zeigt dies Kombinationen von Spannungen V₁ und V₂ an, die in Kreuzungs-Zuständen für den direktionalen Koppler resultieren, bei denen der Großteil des Lichts, während es den direktionalen Koppler durchläuft, von dem ersten Wellenleiter zu dem zweiten Wellenleiter kreuzt. Überall, wo eine negative Kontur existiert (d. h. Verhältnis kleiner als 1), zeigt dies Kombinationen von Spannungen V₁ und V₂ an, die in Linien-Zuständen resultieren, bei denen der Großteil des Lichts, während es den direktionalen Koppler durchläuft, in dem ersten Wellenleiter verbleibt. Bereiche der Kontur-Diagramme, die Kreuzungs-Zustände hoher Qualität repräsentieren, sind als Spitzen oder Grate erkennbar, und Bereiche der Kontur-Diagramme, die Linien-Zustände hoher Qualität repräsentieren, sind als Täler erkennbar. Typischerweise beträgt das erforderliche Löschverhältnis für Kreuzungs-Zustände mindestens 15 dB, obwohl es sich versteht, dass für unterschiedliche Anwendungen oder Zwecke eines direktionalen Kopplers unterschiedliche Werte für das Löschverhältnis existieren, das zum Erzielen eines qualitativ hochwertigen Kreuzungs-Zustands erforderlich ist.
Ein in den direktionalen Koppler eintretendes Lichtsignal lässt sich vergegenwärtigen als Summe seiner Komponenten in den beiden Haupt-Polarisationsmodi, dem transvers-elektrischen (TE-) Polarisationsmodus und dem transvers-magnetischen (TM-) Polarisationsmodus. Da ein direktionaler Koppler auf die beiden unterschiedlichen Polarisationsmodi unterschiedlich reagiert, werden bei der vorliegenden Erfindung Kontur-Diagramme für beide der zwei unterschiedlichen Polarisationsmodi verwendet, um die Transfer-Funktion des direktionalen Kopplers vollständig zu repräsentieren.
In den Test-Beispielen gemäß 2a, 2b, 2c, 4a, 4b, 4c und 6a sind Daten von Vorrichtungen in z-geschnittenem Lithiumniobat gezeigt. In diesem Fall erfährt der TM-Modus einen stärkeren elektrooptischen Effekt als der TE-Modus. Es ist anzumerken, dass diese Situation bei anderen Material-Systemen oder Kristall-Schnitten umgekehrt sein kann.
2a und 2b zeigen Kontur-Diagramme der Schalt-Löschverhältnisse in Form der Betriebsspannungen V₁ und V₂ für den TE-Polarisationsmodus bzw. den TM-Polarisationsmodus bei einem herkömmlichen rückwärts-Δβ-gesteuerten direktionalen Koppler. Die Unterschiede zwischen den Konturen dieser beiden Diagramme veranschaulichen in dramatischer Weise die Herausforderung, die das Erstellen eines polarisationsunabhängigen Kopplers darstellt. In 2a im TE-Polarisationsmodus, und die günstigen Betriebspunkte, der TE-Kreuzungs-Zustand 40 und der TE-Linien-Zustand 42, liegen ungefähr am Ausgangspunkt und an den Ecken des ersten bzw. dritten Quadranten des Diagramms. Im Gegensatz dazu zeigt 2, dass bei dem gleichen direktionalen Koppler, wenn sich das Licht im TM-Polarisationsmodus befindet, der TM-Kreuzungs-Zustand 44 und der TM-Linien-Zustand 46 entlang der Achse und entlang den Diagonalen des Diagramms liegen.
2c zeigt eine zusammengesetzte Kontur-Darstellung eines kombinierten Schaltlöschverhältnisses sowohl für den TE- als auch für den TM-Polarisationsmodus bei dem direktionalen Koppler gemäß 2a und 2b. An den Punkten in der V₁ × V₂-Ebene, an denen beide Verhältnisse positiv sind (wobei sie sich einem Kreuzungs-Zustand annähern), wird der kleinere Wert genommen; an Punkten, an denen beide negativ sind (wobei sie sich einem Linien-Zustand annähern), wird der größere Wert genommen; an sämtlichen anderen Punkten wird der Funktion ein Wert Null zugewiesen. Indem in dieser Weise die Kontur-Diagramme sowohl für die TE- als auch die TM-Polarisationsmodi einander übergelegt werden, wird ein kombiniertes Kontur-Diagramm erzeugt, das für sämtliche polarisationsunabhängigen Kreuzungs-Zustände 50 und polarisationsunabhängigen Linien-Zustände 52 die relative "Größe" und "Stelle" in der V₁ × V₂-Ebene zeigt. Für die Zwecke dieses Beispiels enthalten die polarisation sunabhängigen Kreuzungs-Zustände 50 nur diejenigen Bereiche des Kontur-Diagramms, die ein Löschverhältnis von mehr als 15 dB haben.
Da die "Größen" der polarisationsunabhängigen Kreuzungs-Zustände 50 in dem kombinierten Kontur-Diagramm gemäß 2c derart klein sind, wären die effektiven Betriebsspannungsbereiche V_1c und V_2c scharf eingeschränkt, falls ein herkömmlicher rückwärts-Δβ-gesteuerter direktionaler Koppler in einem "polarisationsunabhängigen" Modus arbeiten würde. Bei dem Beispiel gemäß 2c sind die effektiven Kopplungs-Längen (l) für jede der TM- und TE-Polarisationsmodi sorgfältig dahingehend gewählt worden, dass die polarisationsunabhängigen Kreuzungs-Zustände 50 und Linien-Zustände 52 erzielt werden. Ohne diese sorgfältige Wahl der effektiven Kopplungs-Längen (l), oder falls Variationen bei der Herstellung des direktionalen Kopplers auftreten, ist es sehr wahrscheinlich, dass keine Überlappung von TE-Kreuzungs-Zuständen 40 mit TM-Kreuzungs-Zuständen 44 und von TE-Linien-Zuständen 42 mit TM-Linien-Zuständen 46 besteht, wobei in diesem Fall keine polarisationsunabhängigen Linien-Zustände 50 und polarisationsunabhängigen Linien-Zustände 52 mit adäquater Löschung bestehen. In diesem Fall kann der direktionale Koppler nicht als polarisationsunabhängige optische Vorrichtung betrieben werden.
Wie in dem Abschnitt zum technischen Hintergrund erläutert, besteht das herkömmliche Verfahren, mit dem der rückwärts-Δβ-gesteuerte direktionale Koppler unabhängig gemacht werden soll, darin, die TE-Kreuzungs-Zustände derart vorzusehen, dass sie en genug am Ausgangspunkt liegen, um sich mit den TM-Kreuzungs-Zuständen zu überlappen. Dies wird durch sorgfältige Steuerung der Stärke der optischen Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern erzielt. Nachteiligerweise ist es, wenn mehr als ein einziger direktionaler Koppler gleichzeitig hergestellt wird, sehr schwierig, diese Ergebnisse zu reproduzieren. Zudem verlang diese sorgfältige Steuerung unabdingbar, dass der Designer des direktionalen Kopplers auf die freie Wahl der Länge L sowie des Abstands G des direktionalen Kopplers und der effektiven Kopplungs-Länge l verzichtet. Die Probleme bei dem herkömmlichen Ansatz zum Erzielen der Polarisationsunabhängigkeit sind beschrieben von Watson, J. E. et al. in "A Polarization-Independent 1 × 16 Guided-Wave Optical Switch Integrated on Lithium Niobate", Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-4, Nr. 11, Nov. 1986, wobei diese Veröffentlichung hiermit durch Verweis in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird.
Zur Lösung des Problems der Polarisationsunabhängigkeit wird mit der vorliegenden Erfindung angestrebt, das gesamte TE-Kontur-Diagramm in Bezug zu dem TM-Kontur-Diagramm zu verschieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Versatz zwischen den beiden Kontur-Diagrammen durch eine nicht elektrooptische Modifikation der Wellenleiter in dem direktionalen Koppler, jedoch ohne eine gewählte Länge L oder den Abstand G und die effektive Kopplungs-Länge l des direktionalen Kopplers zu beeinträchtigen. Der Grad des Versatzes wird derart gewählt, dass die TE-Kreuzungszustands-Spitze bei den Betriebsspannungen in Koinzidenz mit einer TM-Kreuzungszustands-Spitze gebracht wird, wodurch eine relativ große Spannungs-Toleranz geschaffen wird, wenn die Sets von Betriebsspannungen gleichzeitige TE- und TM-Kreuzungs-Zustände erlauben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Differenz der Lichtweg-Längen zwischen den beiden Wellenleitern in dem Interaktionsbereich des direktionalen Kopplers bei Betriebsspannungen V_1c und V_2c, die gleich Null sind, physisch geändert. Diese Modifikation erzeugt eine offensichtliche Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der beiden Wellenleiter und wird als Δβ₀ bezeichnet; sie hat einen statischen optischen statt eines elektrooptischen Ursprungs. Wenn ein nicht elektrooptisches Δβ₀ dieses Typs dem direktionalen Koppler hinzugefügt wird, werden die Effekte der Betriebsspannungen V_1c und V_2c mit diesem nicht elektrooptischen Δβ₀ kombiniert, um einen polarisationsunabhängigen optischen Schaltzustand für den direktionalen Koppler zu erzeugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, bei der das elektrooptische Material Lithiumniobat oder Lithiumtantalat ist, wird das nicht elektrooptische Δβ₀ in dem direktionalen Koppler derart erzeugt, dass es sowohl bei der TE- als auch bei der TM-Polarisation im wesentlichen das gleiche Vorzeichen und die gleiche Größe aufweist. Da der elektrooptische Effekt bei dem TM-Polarisationsmodus ungefähr drei Mal so groß ist wie der elektrooptische Effekt bei dem TE-Polarisationsmodus, ergibt sich eine Netto-Verschiebung des gesamten Sets von Betriebsspannungen V₁ und V₂ für den TM-Modus relativ zum TE-Modus. Anders ausgedrückt ist das elektrische Potential, das zum Beseitigen des nicht elektrooptischen Δβ₀ für den TM-Modus erforderlich ist, ungefähr drei Mal kleiner als das für den TE-Modus erforderliche elektrische Potential. Folglich ist die Verschiebung an der Stelle des TM-Kontur-Diagramms ungefähr drei Mal größer als die Verschiebung bei dem TE-Kontur-Diagramm. Es ist diese Differential-Verschiebung der Positionen der TM- und TE-Kontur-Digramme, die von der vorliegenden Erfindung genutzt wird, um ein Set von Betriebsspannungen für eine TE-Kreuzungszustands-Spitze in Koinzidenz oder Überlage mit einem Set von Betriebsspannungen für eine TM-Kreuzungszustands-Spitze zu bringen.
Ein Verfahren zum Erzeugen eines nicht elektrooptischen Δβ₀ könnte darin bestehen, den effektiven Brechungsindex des Wellenleiters zu verändern, und zwar durch Verändern entweder der Breite oder der Zusammensetzung einer der beiden Wellenleiter des direktionalen Kopplers. Obwohl diese Technik bei bestimmten Materialien oder Kristall-Schnitten zweckmäßig sein könnte, erzeugt sie nicht notwendigerweise die günstigsten Ergebnisse für eines der bevorzugten Materialien der vorliegenden Erfindung, d. h. Lithiumniobat. Dies ist der Fall, weil bei Lithiumniobat die Veränderung von β bei TM ungefähr doppelt so groß ist wie bei TE, was bedeutet, dass die TM-Merkmale für das kombinierte Kontur-Diagramm sich fast so weit verschieben würden wie die TE-Merkmale und eine unpraktisch große Gesamtverschiebung erforderlich wäre, um die gewünschte nicht elektrooptische zu erzielen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um die Betriebsspannungen für beide Polarisationsmodi in Koinzidenz zu bringen.
Weitere alternative Verfahren zum Erzeugen eines nicht elektrooptischen Δβ₀ könnten darin bestehen, die Bedingen zu verändern, unter denen der Wellenleiter betrieben wird, z. B. in einer Veränderung der Temperatur oder des Drucks des Wellenleiters. Diese Verfahren jedoch haben den offensichtlichen Nachteil, dass gesteuerte Betriebsbedingungen erforderlich sind, um den Wellenleiter zu betreiben.
Im Zusammenhang mit der nun zu erläuternden 3a wird eine mit gleichförmiger Krümmung und gleichförmigem Abstand vorgesehene Ausführungsform eines rückwärts-Δβ-gesteuerten polarisationsunabhängigen direktionalen Kopplers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dem direktionalen Koppler 60 besteht die Vorkehrung zum Erzielen der gewünschten Verschiebung der oben beschriebenen Schalteigenschaften darin, dass eine statische Änderung der Struktur des direktionalen Kopplers 60 dahingehend vorgenommen wird, dass einer der beiden Wellenleiterkanäle 62 und 64 etwas länger ist als der andere. Die zusätzliche Länge, die als ΔL bezeichnet wird, ist so klein, dass man die Differential-Länge erzeugen kann, indem man die Mittellinie der beiden Wellenleiterkanäle 62 und 64 einem Bogen eines Kreises mit dem Radius R folgen lässt, der im Vergleich mit der Länge des Kopplers 64 sehr groß ist. Vorzugsweise ist der Radius R für einen Krümmungsbereich 66 konstant. Bei einem elektrooptischen LiNbO₃-Material mit Wellenleiterkanälen, die durch Dotieren von Li gebildet sind, und mit Lichtsignalen mit einer Wellenlänge zwischen 0,5 und 2,0 μm sollte der konstante Radius zwischen ungefähr 20 cm und 3 m und optimal zwischen 0,5 und 2,0 m liegen.
Da das Lichtsignal in dem äußeren Wellenleiterkanal 62 eine etwas längere Strecke zurücklegen muss als dasjenige in dem inneren Wellenleiterkanal 64, fällt das Lichtsignal in dem äußeren Wellenleiterkanal 62 allmählich zurück, wenn man annimmt, dass die beiden Wellenleiterkanäle ansonsten identisch sind. Es ist diese kleine "Verzögerung", die sich in die effektive Differential-Ausbreitungskonstante Δβ₀ übersetzt, die gewünscht ist. Da der Betrag von Δβ₀ gesteuert werden kann, indem nur die Geometrie beider Wellenleiterkanä- le 62 und 64 des direktionalen Kopplers 60 verändert wird, erhält man eine annähernd gleiche Veränderung in den TE- und TM-Polarisationsmodi. Da die Gemetrie der Wellenleiterkanäle 62 und 64 durch Photolithographie äußerst gut gesteuert werden kann, z. B. bei der Herstellung des direktionalen Kopplers 60, ist der exakte Wert von Δβ₀ äußerst vorhersagbar und steuerbar.
Eine Verschiebung der relativen Phase, die durch eine Differential-Länge erzeugt wird, ist ununterscheidbar von einer Verschiebung, die durch das Differential β erzeugt wird. Ein Beispiel eines Werts von Δβ₀ bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt ungefähr 0,00001 bis 0,00002 μm^–1 bei einem in Lithiumniobat implementierten direktionalen Koppler mit einer Länge von 26 mm für Licht mit 1,3 μm. Dies impliziert eine Phasenveränderung ΔΦ von ungefähr 3 Radian. Eine äquivalente Lichtweg-Längendifferenz ΔL für λ = 1,3 μm Licht, wobei n = Brechungsindex bei Lithiumniobat ist, beträgt: ΔL = ΔΦ/β = ΔΦλ/2πn = 0,28 μm
Bei einem polarisationsunabhängigen direktionalen Koppler 60 mit Wellenleiterkanälen 62 und 64, die von Mitte zu Mitte um G μm voneinander beabstandet sind und die L mm lang sind, wobei die Mittelinie des Kopplers einem Bogen eines Kreises mit einem Radius R folgt, beträgt die Differential-Länge ΔL: ΔL = GL/R
Falls der Abstand G zwischen den beiden Wellenleitern z. B. 14 μm beträgt, dann beträgt bei einer Länge L der erforderliche Radius R R = GL/ΔL = 1,3 m.
Die Richtung der Differentialverschiebung der beiden Transferfunktionen bei den kombinierten Kontur-Diagrammen hängt von der Richtung der Krümmung der Wellenleiterkanäle ab. Falls sich der äußere (längere) Wellenleiter 62 unter der positiven Elektrode befindet, dann erfolgt die Verschiebung zu positiveren Werten von V₁ und V₂; falls sich der innere Wellenleiter 64 unter der positiven Elektrode befindet, dann erfolgt die Verschiebung zu negativeren Werten. Falls die Krümmung der Wellenleiter 62 und 64 am mittleren Punkt der Länge des Kopplers 60 das Vorzeichen ändert, kehrt Δβ₀ auf mittlerem Weg entlang dem Koppler um; die Transfer-Funktion bewegt sich z. B. zu einem positiveren V₁ und einem negativeren V₂. Ein Beispiel eines für umgekehrte Krümmung ausgelegten polarisationsunabhängigen direktionalen Kopplers mit einer "S"-Form ist in 3b gezeigt. Durch Kombinieren gleichförmig gekrümmter und umgeehrt gekrümmter Formen kann die mit der vorliegenden Erfindung erzielte Verschiebung der Transfer-Funktion in jeder Richtung des V₁× V₂-Raums vorgenommen werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines für gleichförmige Krümmung ausgelegten, mit verjüngtem Abstand versehenen rückwärts-Δβ-gesteuerten polarisationsunabhängigen direktionalen Kopplers gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform weist eine konvergierende Differential-Zwischen-Wellenleiterkanal-Beabstandung (G_d) eine effektive Zwischen-Wellenleiterkanal-Beabstandung (G_d') auf, die gleich der gewünschten Zwischen-Wellenleiterkanal-Beabstandung (G) ist. Vorzugsweise wird die Zwischen-Wellenleiterkanal-Beabstandung (G_d) von der Mitte des Wellenleiterkanals 62 zu der Mitte des Wellenleiterkanals 64 gemessen. Bei dieser Ausführungsform liegt die minimale Kanal-Beabstandung (G_min) an der Mitte der Kopplungs-Länge (L), die die maximale Kanal-Beabstandung (G_max) liegt an den Enden jedes Wellenleiterkanals 62 und 64. Es ist ersichtlich, dass hinsichtlich der Art und des Ausmaßes der Verjüngung der Wellenleiterkanäle zahlreiche Variationen vorgenommen werden können, etwa gemäß den Techniken, die z. B. in US-A-4,243,295 beschrieben sind.
Ein Beispiel eines für gleichförmige Krümmung ausgelegten, rückwärts-Δβ-gesteuerten polarisationsunabhängigen direktionalen Kopplers gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Lithiumniobat-Direktionalkoppler 60, der Wellenlei terkanäle mit einer Länge L = 30 mm und G = 14 μm für Licht von 1,3 μm und einem Radius R = 104 cm aufweist. 4a und 4b zeigen die für diesen direktionalen Koppler gemessenen TE- und TM-Transfer-Funktionen. 4c zeigt ein kombiniertes Diagramm eines worst case eines polarisationsunabhängigen Betriebs des polarisationsunabhängigen direktionalen Kopplers gemäß 4a und 4b. Das kombinierte Diagramm wird erstellt durch Vergleichen der TE- und TM-Transfer-Funktionen auf die im Zusammenhang mit 2c erläuterte Weise. Das Kombinationsdiagramm zeigt einen Kreuzungszustands-Bereich 50 in der V₁ × V₂-Ebene mit einer Löschung von mehr als 15 dB; das Ausmaß dieses Kreuzungszustands-Bereichs 50 ist sehr viel größer, als es mit der hier verwendeten Technik erreicht werden könnte.
Bei den nun zu beschreibenden 6a und 6b handelt es sich um Darstellungen, die in Bezug auf die kritischen Bereiche der vorliegenden Erfindung aufschlussreich sind. 6 zeigt ein Schaubild von Proben-Messwerten des Spannungs-Versatzes gegenüber dem Umkehr-Krümmungsradius (R^–1), die für den direktionalen Koppler 60 mit der Transfer-Funktion gemäß 4c genommen wurden. Der Spannungs-Versatz für den TE-Polarisationsmodus ist bei 70 gezeigt, und der Spannungs-Versatz für den TM-Polarisationsmodus ist bei 72 gezeigt. Bei (R^–1) = 0, existiert bei dem direktionalen Koppler 60 keine Krümmung, und somit erfolgt kein Versatz entweder als TE-Spannungs-Versatz oder als TM-Spannungs-Versatz. Wenn eine Krümmung in den direktionalen Koppler 60 eingebracht wird, beginnt sich sowohl der TE- als auch der TM-Spannungs-Versatz zu verschieben, jedoch verschiebt sich der Versatz für den TE-Polarisationsmodus ungefähr drei Mal so schnell wie der Versatz für den TM-Polarisationsmodus, wie an der relativen Steilheit der Linie 70 (TE-Spannungs-Versatz) gegenüber der Linie 72 (TM-Spannungs-Versatz) erkennbar ist. Über einem Radius (R) von ungefähr 5 m existiert kaum noch eine verwendbare Differenz zwischen den beiden Versätzen 70 und 72 (wie gezeigt zwischen –0,20 < R^–1 < 0,20). Unterhalb 5 m wird die Differenz zwischen den zwei Versätzen 70 und 72 von der vorliegenden Erfindung verwendet, um den TE-Kreuzungs-Zustand auf den TM-Kreuzungs-Zustand zu verschieben und dadurch einen sehr viel größeren Betriebsbereich an Polarisationsunabhängigkeit zu erreichen, als bisher möglich war.
Obwohl sich unter bisherigen direktionalen Kopplern Beispiele für gekrümmte Wellenleiter finden, wie z. B. gemäß GB-A-2 223 323, ist bei keinem dieser vorherigen direktionalen Koppler eine Krümmung der Wellenleiter zu dem Zweck verwendet worden, den direktionalen Koppler polarisationsunabhängig zu machen. Gleichermaßen von Bedeutung ist, dass die bei diesen früheren direktionalen Kopplern vorgeschlagenen Krümmungsradien einfach zu klein sind, um die Polarisationsunabhängigkeits-Zielvorgaben der vorliegenden Erfindung zu erreichen.
Wie in dem Abschnitt zum technischen Hintergrund angegeben, wird bei dem Großteil der herkömmlichen direktionalen Koppler der Aspekt der Polarisierung der Lichtsignale effektiv ignoriert und angenommen, dass Lichtsignale, die in die Vorrichtung eingekoppelt werden, eine Einfach-Polarisierung aufweisen. GB-A-2 223 323 ist ein gutes Beispiel für einen direktionalen Koppler, bei dem man davon ausgeht, dass die Lichtsignal hauptsächlich einfach-polarisiert sind. Ohne diese Annahme ist es nicht möglich, den Werten β, Δβ und der Kopplungs-Stärke eine derart exakt definierte Bedeutung zu geben, wie es bei der Definition dieser Terme durch GB-A-2 223 323 erfolgt. Beispielweise führt GB-A-2 223 323 an, dass sich Δβ bei dem dort beschriebenen direktionalen Koppler proportional zur Spannung verhält. Aus 6a ist ersichtlich, dass diese Behauptung in GB-A-2 223 323 nur zutreffend sein kann, wenn eine Einfach-Polarisation angenommen wird. Falls sowohl eine TE- als auch eine TM-Polarisation vorhanden sind, ist die von Walker getroffene Behauptung nicht korrekt.
Bei beiden in GB-A-2 223 323 aufgeführten Beispielen beträgt der gewünschte Δβ-Versatz ungefähr 4 mm^–1. Unter Verwendung dieses Werts ist es möglich, die gewünschte Krümmung der Wellenleiter zu berechnen. Der gewünschte Δβ-Versatz kann ausgedrückt werden als die Länge (L) multipliziert mit einer Differential-Ausbreitungskonstanten Δβ. Da die tatsächlichen Ausbreitungs konstanten für die beiden Wellenleiter die gleichen sind, ergibt die geometrische Weglängen-Differenz (ΔL) multipliziert mit dem gemeinsamen β ersichtlicherweise Δβ mal L. Somit ist es lediglich erforderlich, die Weglängen-Differenz der beiden konzentrischen Bögen mit dem Radius R und R + G zu berechnen, wobei G die Trennung – von Mitte zu Mitte – zwischen den Wellenleitern ist. Falls der innere Bogen eine Länge L hat, dann hat der äußere Bogen eine Länge L*(R + G)/R. Die Weglängen-Differenz ΔL beträgt LG/R und L Δβ = βΔL = β*LG/R so dass R = βG/Δβ
Unter Verwendung dieser Werte und der typischen Parameter für einen Lithiumniobat-Wellenleiter bei λ = 1,3 μm von β = 2πn/λ = 1,06 × 10^–4 mm^–1 und G = 10^–2 mm, beträgt der Radius R für die gekrümmten Wellenleiter gemäß der Lehre von GB-A-2 223 323 ungefähr 270 mm. Nachteiligerweise ist dieser Radius zu kurz für Wellenleiter mit niedrigem Verlust und resultiert nicht in einem praktischen direktionalen Koppler.
Zum Erzielen der Polarisationsunabhängigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung ist es am vorteilhaftesten, ein Verhältnis der Länge (L) des Kopplungsbereich zu der effektiven Kopplungs-Länge für den TM-Polarisationsmodus, (t_TM), derart vorzusehen, dass L/t_TM ≈ 2,0. In Abhängigkeit davon, welches Mehrfaches der effektiven Kopplungs-Länge (l) für die Vorrichtung verwendet wird, sollte dieses Verhältnis die Gleichung (1 + 4m) < L/I_T _M < (3 + 4m) erfüllen, wobei m eine ganze Zahl größer als oder gleich Null ist. Dies ergibt die gewünschte Grat-Struktur für den kombinierten Kreuzungs-Zustand 5β gemäß 4c. Da der TE-Kreuzungs-Zustand 40 generell außerhalb des TM-Kreuzungszustands-Grats 44 liegt, wie z. B. in 2a und 2b gezeigt, besteht die bevorzugte Einstellung im Verschieben des TE-Kreuzungs-Zustands 40 relativ zu dem TM-Kreuzungs-Zustand 44 entlang der Achse V₁ = V₂ durch Verwendung z. B. des für gleichförmige Krümmung ausgelegten Kopplers gemäß 5. Der Betrag der Verschiebung nähert sich stets dem Abstand von dem Ausgangspunkt des TE-Kreuzungs-Zustands 40 an. Dieser "Verschiebungs-Abstand", ausgedrückt durch Δβ, ist nie größer als ungefähr Δβ L/π ≈ 1,5. Am anderen Ende des Bereichs sind Verschiebungs-Abstände von weniger als ungefähr Δβ L/π ≈ 0,25 nicht zweckmäßig, da kleine Verschiebungen mit L/I_TE sehr nahe an 1 oder 3 einhergehen und diese Werte typisch für die Werte sind, die bei dem herkömmlichen Verfahren zur Erzielung von Polarisationsunabhängigkeit direktionaler Koppler verwendet werden. Da sich die Polarisation bei dem schwächeren elektrooptischen Effekt (beim gezeigten Beispiel: in dem TE-Modus) ebenfalls verschiebt, muss die Verschiebung der Polarisation, die den stärkeren Effekt hat, hinreichend sein, um die schwächere zu überholen. Somit muss der obige Bereich von Verschiebungen mit einem Faktor multipliziert werden, der von den relativen Stärken des elektrooptischen Effekts für die beiden Polarisationen zusammenhängt. Der Faktor lautet F = r₁/(r₁ – r₂), wobei r₁, der stärkere und r₂ der schwächere elektrooptische Koeffizient ist. Dieser Faktor F hat einen Wert nahe 1,5 bei Lithiumniobat. Unter Verwendung dieser Werte kann der gewünschte Bereich von Krümmungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung zweckmäßig sind, näherungsweise wie folgt ausgedrückt werden: 0,25 F ≤ ΔβL/π ≤ 1,5 F
Unter Verwendung dieses Bereichs ist es leicht, den zweckmäßigen Bereich von Krümmungswerten, ausgedrückt in Form der Geometrie des direktionalen Kopplers und der Wellenlänge 1, ohne Bezug zu β zu berechnen. Indem β durch 2πn/λ ersetzt wird, ergeben sich als zweckmäßige maximale und minimale Radien: Rmin ≈ 4nGL/(3Fλ) Rmax ≈ 24nGL/(3λ) Typischerweise liegen die am besten geeigneten Krümmungswerte in der Mitte zwischen R_min und R_max. 6b zeigt eine Tabelle verschiedener elektroopti scher Materialien und Beispiele für diese Werte in Form von R_min und R_max. Zudem zeigt 6b den gemäß den Lehren von GB-A-2 223 323 berechneten Wert R für jeden Typ von Material, womit demonstriert wird, dass der Radius R gemäß GB-A-2 223 323 in jedem Fall kleiner ist als R_min bei der vorliegenden Erfindung.
Durch korrektes Verschieben der TE-Transfer-Funktion relativ zu der TM-Transfer-Funktion wird der Bereich in der V₁ × V₂-Ebene, der die Spannungs-Toleranz der akzeptablen polarisationsunabhängigen Kreuzungs-Zustände 50 repräsentiert, vergrößert. Dieser größere Bereich, der in der V₁× V₂-Ebene für polarisationsunabhängige Kreuzungs-Zustände 50 vorhanden ist, ermöglicht Verbesserungen bei der Herstellungs-Ausbeute und der Benutzerfreundlichkeit. Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht in einem Abstieg der effektiven Ausbeute direktionaler Koppler. Durch Vergrößern des Bereichs des mit dem TM-Kreuzungs-Zustands-Bereich 44 koinzidierenden TE-Kreuzungs-Zustands 40 zum Erzeugen eines polarisationsunabhängigen Kreuzungs-Zustands 50 ist ein praktischer direktionaler Koppler 50 möglich, der polarisationsunabhängig ist. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung hat sich erwiesen, dass die Kopplung zwischen den beiden Wellenleiterkanälen 62 und 64 um ± 10% um das Ideal bei dem TE-Modus herum variieren kann, und um +10% bis –50% bei dem TE-Modus, und dabei immer noch akzeptable Kreuzungs-Zustände ergeben kann. Dies steht im Gegensatz zu dem herkömmlichen Konzept, bei dem die Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen 20 und 22 innerhalb ungefähr ± 2,5% gesteuert werden muss. Ein zusätzlicher Vorteil liegt in dem leichten Betrieb aufgrund des vergrößerten Kreuzungs-Zustands-Bereichs 50. Dies führt zu einer größeren Betriebsspannungs-Toleranz der Vorrichtungen untereinander, so dass die Treiberspannungen dieser Vorrichtungen nicht für jede Vorrichtung überwacht und abgestimmt zu werden brauchen. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, das die Verschiebung in der TE-Transfer-Funktion den Bereich des polarisationsunabhängigen Linien-Zustands-Betriebs in dem dritten Quadranten der V₁× V₂-Ebene zu dem Ausgangspunkt hin bewegt, wodurch die Linien-Zustands-Betriebsspannungen V_1b und V_2b um den Betrag der Verschiebung reduziert werden. Schließlich ist auch die reduzierte Wellenlängen-Empfindlichkeit ein Vorteil. Es hat sich herausgestellt, dass, wenn der Radius R größer als 1 m ist, der direktionale Koppler 60 ungefähr das Doppelte der Wellenlängen-Variation des Lichtsignals toleriert, bevor das Kreuzungszustands-Löschverhältnis unter zulässige Niveaus abfällt.
Im folgenden wird anhand von 7 ein bevorzugtes Verfahren zum Wählen der Herstellungsparameter für einen direktionalen Koppler 60 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zu den Herstellungsparametern zählen die Länge (L) des Kopplers 60, die mittlere Zwischen-Wellenleiterkanal-Beabstandung (G) und der Radius (G) in dem Krümmungsbereich. Das anhand von 7 zu beschreibende Verfahren kann von Hand durchgeführt werden, wobei individuelle Berechnungen für jeden erforderlichen Schritt vorgenommen werden, oder es kann durch ein Computer-Programm oder als Kombination der beiden Möglichkeiten implementiert werden. In Schritt 100 werden dem Designer ein gegebenes elektrooptisches Material, eine Licht-Wellenlänge und gewünschte Betriebsspannungen V₁ und V₂ vorgelegt. In Schritt 102 werden die gewünschten Betriebsspannungen für einen niedrigen Lichtenergieverlust berechnet. Bei den meisten direktionalen Kopplern wird der Lichtenergieverlust innerhalb eines Bereichs von 2 dB bis 4 dB berechnet. In Schritt 104 wird eine Koppler-Länge (L) auf der Basis der gewünschten Betriebsspannungsbereiche V₁ und V₂ gewählt. Bei einem rückwärts-Δβ-gesteuerten direktionalen Koppler ist es typisch, eine Koppler-Länge (L) zu wählen, die ein Mehrfaches der Koppler-Länge (l) zwischen den beiden Wellenleiterkanälen in dem Kopplungsbereich ist. In Schritt 106 werden die Kopplungs-Eigenschaften und die gewählte Koppler-Länge (L) bestimmt. Vorzugsweise werden die Kopplungs-Eigenschaften durch Messung bestimmt, obwohl diese Eigenschaften z. B. auch durch Berechnung bestimmt werden können oder aus früheren Messwerten interpoliert werden können. In Schritt 108 wird eine mittlere Zwischen-Wellenleiterkanal-Beabstandung (G) derart gewählt, dass die Koppler-Länge (L) ungefähr das Doppelte der effektiven Kopplungs-Länge (l) bei dem TM-Polarisationsmodus der gewünschten Wellenlänge des Lichtsignals ist. Wenn an dem Entscheidungspunkt 110 das Verhältnis der Koppler-Länge (L) zu der effektiven Kopplungs-Länge (l) bei dem TM-Polarisationsmodus der gewünschten Wellenlänge des Lichtsignals nicht zwischen ungefähr (1 + 4m) und (3 + 4m) liegt, wobei m eine ganze Zahl größer als oder gleich Null ist, dann wird der Ablauf zu Schritt 102 zurückgeführt, um Bedingungen des niedrigen Lichtenergieverlusts zu modifizieren, und der Wähl-Vorgang wird erneut gestartet.
Falls die Entscheidung 110 günstig ausfällt, dann wird in Schritt 112 ein erforderlicher Versatz in Form von Spannungen V_1c und V_2c bestimmt, so dass der TE-Kreuzungs-Zustand 40 auf den TM-Kreuzungs-Zustand 44 verschoben wird. In Schritt 114 wird ein Krümmungsradius (R) der Wellenleiterkanäle 62 und 64 in Form der Differential-Länge (ΔL) berechnet, die zum Erzeugen des erforderlichen Versatzes der Betriebsspannungen V₁ und V₂ erforderlich ist. An dem Entscheidungspunkt 116 wird eine Entscheidung dahingehend getroffen, ob der Krümmungsradius (R) zu klein für die bestimmten Materialien und Eigenschaften des direktionalen Kopplers ist, so dass er den Gesamt-Lichtverlust des direktionalen Kopplers negativ beeinflusst und dadurch die in Schritt 102 gewählten Niedrig-Verlust-Parameter verletzt. Beispielsweise wird bei Lithiumniobat im Falle eines Krümmungsradius (R) von weniger als 30 mm die Gesamt-Ausgangsleistung des direktionalen Kopplers um 50% oder mehr reduziert. Falls die Niedrig-Verlust-Parameter durch den Krümmungsradius (R) negativ beeinflusst werden, kehrt der Betrieb zu Schritt 102 zurück, um die Niedrig-Lichtenergieverlust-Parameter zu modifizieren, und der Vorgang wird erneut gestartet; andernfalls ist der Wählvorgang abgeschlossen.

Claims

Elektrooptisch geschalteter direktionaler Koppler (60) unter Verwendung von Rückwärts-Differentialausbreitungskonstanten-Steuerung, mit: – einem elektrooptischen Material mit mindestens einem Paar von Wellenleiterkanälen (62, 64) innerhalb eines Interaktionsbereiches, der eine vorgegebene Kopplungslänge (L) und einen vorgegebenen wirksamen Zwischen-Wellenleiterkanalabstand (G) aufweist, welcher durch eine effektive Kopplungslänge (l) spezifiziert ist, welche die Länge ist, die ein zur Verwendung vorgesehenes Lichtsignal benötigt, um bei Nichtvorhandensein eines angelegten elektrischen Felds von einem Wellenleiterkanal (62, 64) zu dem anderen Wellenleiterkanal (64, 62) zu gelangen, – mindestens einem Paar von Elektroden (30–33), um an den Wellenleiterkanälen selektiv ein elektrisches Feld zu erzeugen, das eine optische Ausbreitungskonstante der Wellenleiterkanäle elektrooptisch derart ändert, dass die Effekte einer optischen Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen (62, 64) variiert werden, und – einer Einrichtung zum nicht elektrooptischen Erzeugen mindestens einer Differential-Lichtweg-Länge zwischen den Wellenleiterkanälen, um einen Satz von Betriebsspannungen eines für einen transversalmagnetischen (TM) Polarisationsmodus vorgesehenen optischen Schaltzustandes des direktionalen Kopplers mit einem Satz von Betriebsspannungen eines für einen transversalelektrischen (TE) Polarisationsmodus vorgesehenen optischen Schaltzustandes des direktionalen Kopplers derart in Übereinstimmung zu bringen, dass, wenn die Spannungen innerhalb des in Übereinstimmung gebrachten Satzes von Betriebsspannungen an die Elektroden (30–33) angelegt werden, der optische Schaltzustand des direktionalen Kopplers effektiv unabhängig von der Polarisierung eines auf den direktionalen Kopplers auftreffenden Lichtsignals ist, – wobei die zum Erzeugen mindestens einer Differential-Lichtweg-Länge vorgesehene Einrichtung in den Wellenleiterkanälen (62, 64) einen Krümmungsbereich mit einem derart gewählten konstanten Krümmungsradius aufweist, dass der Satz von Betriebsspannungen des optischen Schaltzustandes des TM-Polarisationsmodus relativ zu dem Satz von Betriebsspannungen des optischen Schaltzustandes des TE-Polarisationsmodus aufgrund der Relativdifferenz zwischen der Größe des elektrooptischen Effekts für das TM-Polarisationsmodus-Lichtsignal und der Größe des elektrooptischen Effekts für das TE-Polarisationsmodus-Lichtsignal verschoben wird.
Direktionaler Koppler nach Anspruch 1, bei dem der Krümmungsbereich einen Radius für eine Mittellinie zwischen den beiden Wellenleiterkanälen mit einem derartigen Wert R aufweist, dass: 4nGL/(3λF) ≤ R ≤ 6nGL/λ wobei n = der Brechungsindex des elektrooptischen Materials und λ = die Wellenlänge des zur Verwendung vorgesehenen Lichtsignals ist, und F = r₁/(r₁ – r₂), wobei r₁ der stärkere und r₂ der schwächere elektrooptische Koeffizient für die beiden Polarisationsmodi ist.
Direktionaler Koppler nach Anspruch 1, bei dem das elektrooptische Material LiNbO₃ ist, die Wellenleiterkanäle durch Dotieren von Ti in das LiNbO₃ gebildet werden, die Wellenleiterkanäle einzeln ausgebildete Wellenleiter für ein Lichtsignal mit einer gewünschten Wellenlänge zwischen 0,5 und 2,0 μm sind, und der Krümmungsbereich für eine Mittellinie zwischen den Wellenleiterkanälen einen konstanten Radius mit einem Wert zwischen 20 cm und 3 m hat.
Direktionaler Koppler nach Anspruch 1, ferner mit: – einer Einrichtung zum optischen Vergrößern des Schaltlöschverhältnisses des direktionalen Kopplers separat von der zum Erzeugen mindestens einer Differential-Lichtweg-Länge vorgesehenen Einrichtung.
Direktionaler Koppler nach Anspruch 4, bei dem die zum optischen Vergrößern des Schaltlöschverhältnisses vorgesehene Einrichtung aufweist: – einen variierenden Zwischen-Wellenleiterkanalabstand (G_d) mit einem wirksamen Zwischen-Wellenleiterkanalabstand (G_d'), der gleich dem vorgegebenen Zwischen-Wellenleiterkanalabstand (G) ist.
Polarisationsunabhängiger elektrooptisch geschalteter direktionaler Koppler (60) unter Verwendung von Rückwärts-Differentialausbreitungskonstanten-Steuerung, mit: – einem elektrooptischen Material mit mindestens einem Paar von Wellenleiterkanälen (62, 64) innerhalb eines Interaktionsbereiches, und – mindestens einem Paar von Elektroden (30–33), um an den Wellenleiterkanälen selektiv ein elektrisches Feld zu erzeugen, das optische Ausbreitungskonstante der Wellenleiterkanäle elektrooptisch derart ändert, dass die Effekte einer optischen Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen variiert werden, – wobei die Wellenleiterkanäle einen Krümmungsbereich aufweisen, der durch einen derart gewählten konstanten Radius definiert ist, dass ein Satz von Betriebsspannungen eines Übergangszustandes des direktionalen Kopplers für einen transversalmagnetischen (TM) Polarisationsmodus mit einem Satz von Betriebsspannungen eines Übergangszustandes des direktionalen Kopplers für einen transversalelektrischen (TE) Polarisationsmodus in Übereinstimmung gebracht wird, indem der Übergangszustand des TM-Polarisationsmodus relativ zu dem Übergangszustand des TE-Polarisationsmodus aufgrund der Relativdifferenz zwischen der Größe des elektrooptischen Effekts für das TM-Polarisationsmodus-Lichtsignal und der Größe des elektrooptischen Effekts für das TE-Polarisationsmodus-Lichtsignal derart verschoben wird, dass ein Effekt der optischen Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen für den Übergangszustand im Effekt unabhängig von der Polarisierung eines auf den direktionalen Kopplers auftreffenden Lichtsignals ist.
Polarisationsunabhängiger direktionaler Koppler nach Anspruch 6, bei dem der Krümmungsbereich einen konstanten Radius für eine Mittellinie zwischen den beiden Wellenleiterkanälen mit einem derartigen Wert R aufweist, dass: 4nGL/(3λF) ≤ R ≤ 6nGL/λ wobei n = der Brechungsindex des elektrooptischen Materials und λ = die Wellenlänge des zur Verwendung vorgesehenen Lichtsignals ist, und F = r₁/(r₁ – r₂), wobei r₁ der stärkere und r₂ der schwächere elektrooptische Koeffizient für die beiden Polarisationsmodi ist.
Polarisationsunabhängiger direktionaler Koppler nach Anspruch 6, bei dem das elektrooptische Material LiNbO₃ ist, die Wellenleiterkanäle durch Eingabe von Ti in das LiNbO₃ gebildet werden, das zur Verwendung vorgesehene Lichtsignal eine Wellenlänge zwischen 0,5 und 2,0 μm hat, und der Krümmungsbereich für eine Mittellinie zwischen den Wellenleiterkanälen einen konstanten Radius mit einem Wert zwischen 20 cm und 3 m hat.
Verfahren zum Herstellen eines direktionalen Kopplers mit Differentialausbreitungskonstanten-Steuerung, mit folgenden Schritten: (a) bei einem vorgegebenen elektrooptischen Material und einer vorgegebenen Licht-Wellenlänge, Erzeugen eines gewünschten Satzes von Betriebsspannungen für die Elektroden des direktionalen Kopplers, (b) Wählen eines maximalen optischen Energieverlustes für den direktionalen Koppler, (c) Wählen eines Satzes von Wellenleiter-Herstellungsbedingungen für den direktionalen Koppler derart, dass der optische Energieverlust des direktionalen Kopplers gleich dem maximalen optischen Energieverlust oder kleiner als dieser ist, (d) Wählen einer Koppler-Länge (L) der Wellenleiterkanäle auf der Basis des gewünschten Satzes von Betriebsspannungen, (e) Bestimmen einer wirksamen Kopplungs-Länge (l) sowohl für einen TM-Polarisationsmodus als auch für einen TE-Polarisationsmodus der Licht-Wellenlänge für die durch die Schritte (a)–(d) gegebenen Werte, wobei die wirksame Kopplungslänge (l) als die Länge definiert ist, die ein zur Verwendung vorgesehenes Lichtsignal benötigt, um bei Nichtvorhandensein eines angelegten elektrischen Felds von einem Wellenleiterkanal (62, 64) zu dem anderen Wellenleiterkanal (64, 62) zu gelangen, (f) Wählen eines derartigen mittleren Zwischen-Wellenleiterkanalabstands (G), dass die Koppler-Länge (L) ungefähr das Doppelte der wirksamen Kopplungslänge (l) für den TM-Polarisationsmodus beträgt, (g) falls das Verhältnis der Koppler-Länge (L) zu der wirksamen Kopplungslänge (l) für den TE-Polarisationsmodus nicht größer als (1 + 4m) und kleiner als (3 + 4m) ist, wobei m eine ganze Zahl ist, die größer als oder gleich null ist, Rückkehr zum Schritt (b), um den gewählten maximalen optischen Energieverlust zu modifizieren, (h) Bestimmen eines erforderlichen Versatzes des Satzes von Betriebsspannungen der Elektroden für einen optischen Schaltzustand zum Verschieben des optischen Schaltzustands für einen TE-Polarisationsmodus auf den optischen Schaltzustand für einen TM-Polarisationsmodus, (i) Bestimmen eines Krümmungsradius (R) für das Paar von Wellenleiterkanälen als derjenigen Differentiallänge (Δ|) des Paars von Wellenleiterkanälen, die zum Erzielen des erforderlichen Versatzes der Betriebsspannungen nötig ist, (j) falls der Krümmungsradius (R) einen optischen Energieverlust des direktionalen Kopplers verursacht, der größer ist als der in Schritt (b) gewählte maximale optische Energieverlust, Rückkehr zu den Schritten (b)–(d), um eine oder mehrere der Optionen in diesen Schritten zu modifizieren, (k) Verwenden der Koppler-Länge (L), des mittleren Zwischen-Wellenleiterkanalabstands (G) und des Krümmungsradius (R) zur Konzipierung des polarisationsunabhängigen direktionalen Kopplers, und Bilden des Kopplers aus einem elektrooptischen Material mit mindestens einem Paar von Wellenleiterkanälen innerhalb eines Interaktionsbereichs und mindestens einem Paar von Elektroden, um an den Wellenleiterkanälen selektiv ein elektrisches Feld zu erzeugen, das eine optische Ausbreitungskonstante der Wellenleiterkanäle optisch ändert, um eine optische Kopplung zwischen den Wellenleiterkanälen zu variieren.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der gewählte Krümmungsradius einen derartigen Wert R aufweist, dass: 4nGL/(3λF) ≤ R ≤ 6nGL/λ wobei n = der Brechungsindex des elektrooptischen Materials und λ = die Wellenlänge des zur Verwendung vorgesehenen Lichtsignals ist, und F = r₁/(r₁ – r₂). wobei r₁ der stärkere und r₂ der schwächere elektrooptische Koeffizient für die beiden Polarisationsmodi ist.