DE69731500T2

DE69731500T2 - Akustooptische Wellenleitervorrichtung mit Kompensation der Polarisationsmodendispersion

Info

Publication number: DE69731500T2
Application number: DE69731500T
Authority: DE
Inventors: Salvatore Morasca; Steffen Schmid
Original assignee: Corning OTI SRL
Current assignee: Corning OTI SRL
Priority date: 1996-05-03
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2017-04-12
Also published as: AU714850B2; CA2203215A1; US5850492A; BR9700661A; IT1282401B1; CA2203215C; AU1991597A; EP0805372A1; ITMI960865A1; NZ314641A; EP0805372B1; ITMI960865A0; DE69731500D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine akustooptische Wellenleitervorrichtung mit Kompensation der Polarisationsmodendispersion.
In optischen Telekommunikationsnetzwerken für die Übertragung von optischen Signalen werden Vorrichtungen sowohl in integrierter Optik, wie z. B. optische Schalter, optische Filter und dgl., als auch in diskreter Optik, welche aus doppelbrechenden Materialien, wie z. B. Lithiumniobat (LiNbO₃) hergestellt sind, benutzt. Derartige Materialien weisen zwei Brechungsindizes von unterschiedlichem Wert auf, einen ordentlichen n_o und einen außerordentlichen n_e. Demzufolge werden die optischen Signale, welche durch diese Vorrichtungen laufen, einer Aufteilung in zwei orthogonalen bzw. senkrecht zueinander stehende Polarisationskomponenten unterworfen, wobei sich eine davon mit dem ordentlichen Brechungsindex n_o und die andere mit dem außerordentlichen Brechungsindex n_e ausbreitet.
Dadurch haben im Allgemeinen die zwei Polarisationskomponenten Durchlaufzeiten bzw. Laufzeiten mit unterschiedlichen Werten. Der Unterschied zwischen den Durchlaufzeiten der beiden Polarisationskomponenten führt zu einem Phasenversatz des Signals, abhängig von der Polarisation, welche als Polarisationsmodendispersion bezeichnet wird.
Im Einzelnen wird die Laufzeit t, welche für einen optischen Pfad bzw. Weg der Länge L in einem Material, welches einen Brechungsindex n hat, benötigt wird, durch den folgenden Term gegeben: t = nL/c, wobei c = 3·10⁸ m/sec die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum ist.
Der Unterschied in den Laufzeiten oder die differentielle bzw. unterschiedliche Verzögerung Δt der beiden senkrecht zu einander polarisierten Komponenten, welche den Brechungsindex n_o und n_e in dem optischen Pfad der Länge L besitzen, wird durch den folgenden Term gegeben: Δt = (no – ne)·L/c = Δn·L/cwobei Δn der Unterschied zwischen den ordentlichen und außerordentlichen Indizes der Brechung oder der Doppelbrechung ist.
Es folgt, dass es einen Phasenversatz zwischen den zwei Polarisationskomponenten gibt, welcher zu einem Abfall des optischen Signals führen kann, mit hohen Einbußen bezüglich der Fehlerrate (Bitfehlerrate, BER) im Falle eines hohen Wertes des Produkts Δn·L.
In einer ebenen akustooptischen Vorrichtung beispielsweise, welche aus einem x-geschnittenen Kristall aus Lithiumniobat hergestellt ist, welches eine Ausbreitung entlang der y-Achse (y-Ausbreitung) und damit mit der optischen Achse z in der Ebene der Ausbreitung besitzt, besitzt die Polarisationskomponente TM (transversal-magnetisch), senkrecht zur Ebene der Ausbreitung, den ordentlichen Brechungsindex und die Polarisationskomponente TE (transversal-elektrisch), parallel zu der Ebene der Ausbreitung, besitzt einen außerordentlichen Brechungsindex. Bei den Wellenlängen um 1550 nm ist der ordentliche Brechungsindex des LiNbO₃ ungefähr gleich 2,226, während der außerordentliche Brechungsindex ungefähr gleich 2,154 ist. Ähnliche Unterschiede des Brechungsindexes zwischen den TE- und den TM-Komponenten werden in Wellenleitern beobachtet, welche z. B. durch Diffusion von Titan in dem gleichen Substrat hergestellt sind.
In einer Vorrichtung mit einer Länge von ungefähr 60 mm wird eine Polarisationsmodendispersion von ungefähr 15 psec (15·10^–12 sec) berechnet.
Die Anmelderin hat experimentell in einer akustooptischen Vorrichtung des aufgezeigten Typs eine Dispersion gleich dem berechneten Wert beobachtet, wenn die Vorrichtung im passiven Zustand war, während ein Nullwert der PMD in der Vorrichtung im aktiven Zustand gemessen wurde. Der aktive Zustand der akustooptischen Vorrichtung ist derjenige, in welchem durch geeignete elektrische oder ähnliche Vorrichtungen eine akustische Oberflächenwelle erzeugt wird, welche mit einem optischen Signal entlang eines vorher eingerichteten Teils des optischen Pfades wechselwirkt, wobei eine Wandlung des Zustands der Polarisation desselben festgelegt wird. Es wurde ermittelt, dass die Aufhebung der PMD aufgrund der Wandlung zwischen den zwei Dispersionen auf halbem Weg entlang der Vorrichtung und der Symmetrie der Vorrichtung selbst beruht.
In digital-optischen Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationsnetzwerken (10 Gbit/sec) kann der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen (Bits) eines Signals in der Größenordnung von 50 psec sein. Ein Phasenversatz der zwei Polarisationskomponenten desselben Bits (Aufsplitten bzw. Aufteilen), welches durch die eingeschaltete Vorrichtung induziert wird, in Höhe eines Wertes von 15 psec (oder mit einem höheren Wert, im Fall, dass die Vorrichtungen in Kaskade angeordnet sind) kann Überlagerungen zwischen aufeinander folgenden Bits verursachen und die Qualität der Übertragung sogar bezüglich der Bitfehlerrate (BER) verschlechtern.
In IEEE Photonics Letters, Nov. 1994, USA, Band 6, Nr. 11, ISSN 1041-1135, S. 1335–1337, XP000486193 HERRMANN H ET AL: "Polarization independent, integrated optical, acoustically tunable wavelength filters/switches with tapered acoustical directional coupler" wird ein Gerät entsprechend dem vorcharakterisierenden Teil des Anspruchs 1 veröffentlicht.
Die Erfindung überwindet die vorherigen Nachteile und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:

c) wenigstens einen optischen Kompensationspfad, welcher optisch mit den optischen Pfaden verbunden ist, wobei der optische Kompensationspfad eine vorher festgelegte Polarisationsmodendispersion besitzt, so dass die Durchlaufzeit bzw. Laufzeit der ersten Polarisationskomponente in dem ersten optischen Pfad und in dem optischen Kompensationspfad sich um weniger als einen vorher festgelegten Betrag von der Laufzeit der zweiten Polarisationskomponente in dem zweiten optischen Pfad und in dem optischen Kompensationspfad wenigstens im nicht aktiven Zustand der Vorrichtung unterscheidet, wobei der optische Kompensationspfad bezüglich des ersten und zweiten optischen Pfads in dem Wellenleiter so orientiert ist, dass deren langsame Achse mit der schnellen Achse des ersten und zweiten optischen Pfades in dem Wellenleiter zusammenfällt und ihre schnelle Achse mit der langsamen Achse des ersten und zweiten optischen Pfades in dem Wellenleiter zusammenfällt.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung besitzen wenigstens ein optischer Kompensationspfad und der erste und zweite optische Pfad, welcher in dem ersten Substrat erzielt ist, jeweilige relative Brechungsindezes, Längen und jeweils reziproke Orientierungen in derartiger Weise, dass die Laufzeit der ersten Polarisationskomponente in dem ersten optischen Pfad und in dem optischen Kompensationspfad im Wesentlichen gleich der Laufzeit der zweiten Polarisationskomponente in dem zweiten optischen Pfad und in dem optischen Kompensationspfad ist.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der optische Kompensationspfad durch wenigstens ein erstes Teil einer Polarisations-erhaltenden, doppelbrechenden optischen Faser gebildet, welche mit dem ersten und zweiten optischen Pfad in dem optischen Wellenleiter, welcher in dem ersten Substrat erzielt ist, verbunden ist.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der optische Kompensationspfad durch wenigstens einen zweiten optischen Wellenleiter gebildet, welcher in einem zweiten Substrat aus doppelbrechendem Material erzielt ist, welcher mit dem ersten und zweiten optischen Pfad in dem optischen Wellenleiter verbunden ist, welcher in dem ersten Substrat erzielt ist.
In der akustooptischen Vorrichtung entsprechend der Erfindung dient der optische Kompensationspfad dazu, jedwede Phänomene der Polarisationsmodendispersion, welche in dem ersten und zweiten optischen Pfad vorhanden sind, welcher in dem ersten Substrat erzielt ist, unterhalb eines vorher festgelegten Grenzwerts zu begrenzen.
Tatsächlich sind die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der zwei Polarisationskomponenten TM und TE in den zwei optischen Pfaden im Wesentlichen kompensiert, da die Polarisationskomponente TM, ausgestattet mit einer Geschwindigkeit, welche geringer als die der Polarisationskomponente TE in dem ersten optischen Pfad ist, mit einer Geschwindigkeit ausgestattet ist, welche größer als die der anderen Polarisationskomponente in dem zweiten optischen Pfad ist, während die Polarisationskomponente TE, ausgestattet mit einer Geschwindigkeit, welche höher als die der Polarisationskomponente TM in dem ersten optischen Pfad ist, mit einer Geschwindigkeit ausgestattet ist, welche geringer als die der anderen Polarisationskomponente in dem zweiten optischen Pfad ist. Auf diese Weise benötigen die zwei Polarisationskomponenten des optischen Signals im Wesentlichen die gleiche Zeit für den gesamten optischen Pfad, welcher die Summe des ersten und des zweiten optischen Pfades ist.
Damit ist der Phasenversatz Δt zwischen den gleichen Polarisationskomponenten praktisch ausgelöscht, und die Polarisationsmodendispersion ist im Wesentlichen eliminiert. Ein Abfall der Signale bezüglich der Bitfehlerrate (BER) wird damit vermieden, und eine beträchtliche Verbesserung wird bezüglich der Qualität der Übertragung bei hoher Geschwindigkeit erreicht.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Ausführungsformen der Erfindung als nicht begrenzende Beispiele in den beigefügten Zeichnungen wiedergegeben, in welchen:
1 eine zeichnerische Darstellung einer akustooptischen Wellenleitervorrichtung mit Kompensation der Polarisationsmodendispersion ist, hergestellt gemäß der Erfindung;
2 eine Variante der akustooptischen Vorrichtung von 1 zeigt;
3, 4 und 5 Graphen sind, welche die Ergebnisse der Tests zeigen, welche mit der akustooptischen Vorrichtung der Erfindung durchgeführt wurden;
6 ein Graph ist, welcher die Ergebnisse eines Vergleichstests zeigt, welcher mit einer traditionellen akustooptischen Vorrichtung durchgeführt wurde;
7 ein Graph ist, welcher die Polarisationsmodendispersion der Vorrichtung der 1 in Abhängigkeit von der Länge eines optischen Kompensationspfades zeigt.
In 1 wird eine akustooptische Wellenleitervorrichtung mit Kompensation der Polarisationsmodendispersion gezeigt, welche gemäß der Erfindung hergestellt wurde. In dem spezifischen Fall weist die Vorrichtung einen akustooptischen Schalter für optische Signale im Wellenleiter auf, welcher insgesamt mit 1 angezeigt wird, vom 2 × 2-Typ, durchstimmbar, welcher für jegliche Eingangspolarisation betrieben werden kann.
Der Schalter 1 weist ein Substrat 2 in einem doppelbrechenden und photoelastischen Material auf, welches aus einem Kristall aus Lithiumniobat (LiNbO₃) besteht, welcher einen x-Schnitt und eine y-Ausbreitung besitzt.
In dem Substrat 2 wird eine Polarisationswandlerstufe erzielt, welche insgesamt mit 3 bezeichnet wird, und es werden polarisationsselektive Elemente erhalten, welche insgesamt mit 4 und 5 bezeichnet sind.
Die polarisationsselektiven Elemente 4 und 5 sind in der Lage, senkrecht zueinander stehende Polarisationskomponenten TM und TE eines optischen Signals zu trennen, und sie sind durch Polarisationsteiler gebildet, welche jeweilige Teile von optischen Multimode-Wellenleitern 6 und 8 aufweisen, welche jeweils mit Teilen der Verbindungswellenleiter 10, 11, 12, 13 und 14, 15, 16, 18 verbunden sind.
Die Teile der Verbindungswellenleiter 10 und 11 sind mit den Eingangsanschlüssen 19 bzw. 20 verbunden, und die Teile der verbindenden Wellenleiter 16 und 18 sind mit den Ausgangsanschlüssen 21 bzw. 22 verbunden.
Die Polarisationswandlerstufe 3 weist zwei Zweige optischer Wellenleiter 23 und 24 auf, geradlinig und parallel, einen akustischen Wellenleiter 25, welcher zwei Zweige der optischen Wellenleiter 23 und 24 enthält, und einen akustischen Wellenleiter 26, welcher einen elektroakustischen Wandler 27 enthält.
Im Verhältnis zum Vorhandensein eines angelegten akustischen Signals können die senkrecht zueinander stehenden Polarisationskomponenten TM und TE entlang eines optischen Pfads oder einer optischen Spur laufen, welcher den Wellenleiterzweig 23, die Teile der Wellenleiter 6, 12, 14 und 8, einen der zwei Teile der Wellenleiter 10 und 11 und einen der zwei Teile der Wellenleiter 16 und 18 und einen anderen optischen Pfad, welcher den Wellenleiterzweig 24, die Teile der Wellenleiter 6, 13, 15 und 8, einen der zwei Teile der Wellenleiter 10 und 11 und einen der zwei Teile der Wellenleiter 16 und 18 aufweist, beinhaltet.
Damit können die senkrecht zueinander stehenden Polarisationskomponenten TM und TE dem einen oder dem anderen der optischen Pfade im Wellenleiter folgen, welcher in dem Substrat 2 integriert ist, für welches die Teile der Wellenleiter 10, 11, 6, 8, 16 und 18 gemeinsam sind.
Der elektroakustische Wandler 27 ist durch Interdigitalelektroden gebildet, welche in der Lage sind, eine akustische Oberflächenwelle mit Radiofrequenz zu erzeugen. Diese akustische Oberflächenwelle ist in der Polarisationswandlerstufe kollinear mit den optischen Signalen, welche sich entlang der optischen Wellenleiterzweige 23 und 24 bewegen.
Der akustische Wellenleiter 25 und 26 wird durch die Flächen 28 gebildet, wobei die Geschwindigkeit der akustischen Wellen größer als die in den Leitern 25 und 26 ist. Am Ende der akustischen Wellenleiter 25 und 26 ist ein akustischer Absorber 29 vorhanden. Der akustische Wellenleiter 26 ist benachbart und in Kommunikation mit dem akustischen Wellenleiter 25, um so einen akustischen Koppler zu bilden. Der akustische Koppler zwischen den akustischen Wellenleitern 25 und 26 ist so hergestellt, dass das Intensitätsprofil der akustischen Oberflächenwelle entlang des Wellenleiters 25 eine Spitze im Zentral- bzw. Mittenbereich des Wellenleiters und zwei Senken an den Enden des gleichen Leiters aufweist. Die optischen Signale, welche entlang der optischen Wellenleiterzweige 23 und 24 sich ausbreiten, Wechselwirken mit einer akustischen Welle, welche eine Intensität besitzt, welche bis zum halben Weg entlang der optischen Pfade 23 und 24 anwächst und im verbleibenden Teil der optischen Pfade abnimmt, in einem Bereich, welcher eine vorher festgelegte Wechselwirkungslänge aufweist.
Ein optisches Signal mit einer willkürlichen Polarisation, welches durch den Eingangsanschluss 19 eintritt und in dem Teil des Wellenleiters 10 sich ausbreitet, welcher aus dem Substrat 2 des Lithiumniobats erzielt ist, spaltet sich im polarisationsselektiven Element 4 in zwei senkrecht zueinander stehende Polarisationskomponenten TM und TE auf, so dass für Wellenlängen um 1550 nm sich eine (TM) entlang des Wellenleiterzweiges 23 mit einem üblichen Brechungsindex von ungefähr 2,226 und die andere (TE) entlang des Wellenleiterzweiges 24 mit dem außerordentlichen Brechungsindex von ungefähr gleich 2,154 ausbreitet.
Bei den Bedingungen des passiven Betriebs der Polarisationswandlerstufe, d. h. in Abwesenheit einer akustischen Welle in dem akustischen Wellenleiter 25, werden die Polarisationskom ponenten des Signals, welche sich in den Wellenleitern 23 und 24 ausbreiten, unverändert an die jeweiligen Teile der optischen Wellenleiter 14 und 15 der polarisationsselektiven Elemente 5 übertragen. Die zwei Komponenten breiten sich daher in Richtung des Teils des Wellenleiters 16 aus, wobei sie sich in ein einzelnes Signal rekombinieren, welches über den Ausgangsanschluss 21 austritt.
Unter den Bedingungen des passiven Betriebs der Polarisationswandlerstufe wandern die Polarisationskomponenten TE, TM eines Signals mit willkürlicher Polarisation, welches an dem Eingangsanschluss 19 der Vorrichtung eintritt, entlang einem optischen Pfad c2 und einem optischen Pfad c1. Der optische Pfad c2 (die Komponente TE am Eingang) weist die Teile des Wellenleiters 10, 6, 13, den Wellenleiterzweig 24 und die Teile des Wellenleiters 15, 8, 16 auf. Der optische Pfad c1 (Komponente TM am Eingang) weist die Teile des Wellenleiters 10, 6, 12, den Wellenleiterzweig 23 und die Teile des Wellenleiters 14, 8, 16 auf.
Jedoch unter den Bedingungen des aktiven Betriebes der Polarisationswandlerstufe, d. h. in Gegenwart einer akustischen Auswahlwelle in dem akustischen Wellenleiter 25, werden die Polarisationskomponenten der ausgewählten Signale, welche sich in den Wellenleiterzweigen 23 und 24 ausbreiten, einer Wandlung in die entgegengesetzte Polarisation unterworfen und werden hinauf zu den jeweiligen Teilen der optischen Wellenleiter 14 und 15 des polarisationsselektiven Elementes 5 übertragen. Die zwei Komponenten werden dann in Richtung des Teils des Wellenleiters 18 übertragen, wobei sie in ein einzelnes Signal rekombinieren, welches am Ausgangsanschluss 22 austritt.
Im Falle des Aktivbetriebes der Polarisationswandlerstufe wandern damit die Polarisationskomponenten TE, TM eines Signals mit willkürlicher Polarisation, welches über den Eingangsanschluss 19 der Vorrichtung eintritt, entlang einem optischen Pfad c4 bzw. einem optischen Pfad c3. Der optische Pfad c4 (Komponente TE am Eingang) weist die Teile der Wellenleiter 10, 6, 13, den Wellenleiterzweig 24 und nach der Wandlung in die TM-Komponente die Teile des Wellenleiters 15, 8, 18 auf. Der optische Pfad c3 (Komponente TM am Eingang) weist die Teile des Wellenleiters 10, 6, 12, den Wellenleiterzweig 23 und nach der Wandlung in die TE-Komponente die Teile des Wellenleiters 14, 8, 18 auf.
Die optischen Pfade eines optischen Signals mit willkürlicher Polarisation am Eingang am Eingangsanschluss 20 sind bezüglich zu den eben beschriebenen symmetrisch: Dieses Signal wird an den Ausgang 22 oder den Ausgang 21 übertragen, im Falle von passiver oder aktiver Betriebsweise der Polarisationswandlerstufe.
Gemäß der Erfindung sind die optischen Pfade im Wellenleiter, welcher in dem Substrat 2 integriert ist, gefolgt von den Signalen, mit wenigstens einem der externen optischen Kompensationspfade verbunden, welcher wenigstens durch einen Teil einer monomodalen doppelbrechenden optischen Faser 35, 36, 37 oder 38 vom Typ mit Polarisationserhaltung gebildet ist. Im speziellen Fall sind die Teile der doppelbrechenden optischen Fasern 35 und 36 mit den Eingangsanschlüssen 19 bzw. 20 verbunden, und die Teile der doppelbrechenden optischen Fasern 37 und 38 sind mit den Ausgangsanschlüssen 21 bzw. 22 jeweils mit Hilfe von Verbindungselementen 39 verbunden. Umgekehrt sind die Teile der doppelbrechenden optischen Fasern 35, 36, 37 und 38 mit den optischen Monomode-Leitungsfasern 41, 42, 43 und 44 mit Hilfe von Anschlüssen 45 verbunden, welche z. B. durch Schmelzverbindungen gebildet sind.
Geeignete doppelbrechende optische Fasern des Typs mit Polarisationserhaltung sind z. B. jene, welche Elemente von interner Zugspannung aufweisen, genannt "PANDA", jene mit einer inneren ovalen Ummantelung und Ähnliche.
Der transversale Querschnitt dieser Fasern besitzt eine Achse, welche als "langsam" bezeichnet wird, und eine Achse, welche als "schnell" bezeichnet wird, welche senkrecht aufeinander stehen. Signale mit einer Polarisation parallel zu der langsamen Achse breiten sich entsprechend einem ersten Brechungsindex mit einer langsameren Geschwindigkeit aus als Signale, welche eine Polarisation parallel zur schnellen Achse der Faser besitzen, welche sich entsprechend einem unterschiedlichen Wert des Brechungsindexes ausbreiten.
Der typische relative Brechungsindex dieser Fasern, d. h. die Differenz zwischen den Brechungsindizes bezogen auf die zwei Achsen, ist in der Größenordnung von Δn ≈ 0,0001–0,001.
Eine "PANDA"-Faser, welche für die Wellenlänge 1550 nm geeignet ist, ist diejenige der Firma Fujikura, welche mit den Buchstaben SM(C) 15-P gekennzeichnet ist.
Die Teile der doppelbrechenden optischen Fasern 35, 36, 37 und 38 sind mit Bezug auf die optischen Pfade in dem Wellenleiter, welcher auf dem Substrat 2 integriert ist, so orientiert, dass ihre langsame Achse mit der schnellen Achse der optischen Pfade zusammenfällt, welche in dem Wellenleiter (z in dem vorausgehenden Beispiel) integriert ist, und ihre schnelle Achse mit der langsamen Achse der optischen Pfade, welche in dem Wellenleiter integriert ist (x im vorausgehenden Beispiel), zusammenfällt. Damit hat die Polarisationskomponente des optischen Signals, welches eine geringere Geschwindigkeit in den optischen Pfaden 35, 36, 37 und 38 besitzt, eine höhere Geschwin digkeit in den optischen Pfaden im Wellenleiter des Substrats 2, während die andere Polarisationskomponente, welche eine höhere Geschwindigkeit in den optischen Pfaden 35, 36, 37 und 38 besitzt, eine niedrigere Geschwindigkeit in den optischen Pfaden im Wellenleiter des Substrates 2 besitzt. Die gesamten Laufzeiten in den optischen Pfaden 35, 36, 37 und 38 und in den optischen Pfaden im Wellenleiter des Substrats 2 werden auf diese Weise im Wesentlichen gleich (äquivalent) für die zwei Polarisationskomponenten gemacht.
Die doppelbrechenden optischen Fasern 35, 36, 37 und 38 haben eine vorher festgelegte Länge L_e/2.
Die Länge L_e ist mit der Länge L_d der optischen Pfade in dem Wellenleiter, welcher in dem Substrat 2 integriert ist, durch den Term verbunden: Le = Ld·Δnd/Δne wobei Δn_d der Wert der Doppelbrechung der Wellenleiter ist, welche auf dem Substrat 2 integriert sind, und Δn_e der Wert der Doppelbrechung der doppelbrechenden optischen Fasern 35, 36, 37 und 38 ist.
Die optischen Fasern 35, 36, 37 und 38, welche die oben erwähnten Orientierungen besitzen, und die Länge L_e/2 gestatten den Erhalt einer Kompensation der Polarisationsmodendispersion des Schalters 1 (zeitlicher Phasenversatz null, d. h. Δt = 0), da die Zeiten für die Ausbreitung der zwei Polarisationskomponenten im gesamten optischen Pfad, der durch den optischen Pfad im Wellenleiter auf dem Substrat 2 und durch den externen optischen Kompensationspfad 35, 36, 37, 38 gebildet ist, im Wesentlichen einander gleich sind.
Die Arbeitsweise des Schalters 1 ist wie folgt.
Wenn keine Spannung an dem elektroakustischen Wandler 27 angelegt ist, ist der Schalter 1 aus (Aus-Zustand) und er befindet sich in dem Zustand der direkten Übertragung oder im parallelen Zustand (Sperr-Zustand), wobei ein direkter Zusammenhang zwischen den Eingangsanschlüssen 19 und 20 und den Ausgangsanschlüssen 21 bzw. 22 besteht. Die optischen Signale, welche in den Leitungsfasern 41 und 42 ihren Ursprung haben, laufen entlang der doppelbrechenden Fasern 35 und 36, treten durch die Anschlüsse 19 und 20 ein und erreichen den Polarisationsteiler 4, wo die Polarisationskomponenten TE und TM aufgeteilt werden und in die Teile der verbindenden Wellenleiter 12 und 13 gesandt werden. Die Komponenten TE und TM laufen unverändert durch die Zweige 23 und 24 der Wandlerstufe 3, und sie werden dann im Polarisationsteiler 5 so gemischt, dass die optischen Signale, welche durch die Anschlüsse 19 und 20 einlaufen, durch die Anschlüsse 21 und 22 austreten. Die optischen Signale, welche durch die Anschlüsse 21 und 22 austreten, laufen entlang der doppelbrechenden Fasern 37 und 38 und breiten sich in den Leitungsfasern 43 und 44 aus.
Wenn ein geeignetes Schaltsignal an den Elektroden des Wandlers 27 angelegt wird, wird der Schalter 1 eingeschaltet (Ein-Zustand), und er bewegt sich für die ausgewählten Signale in den Zustand der gekreuzten Übertragung (Kreuz-Zustand), wobei die Eingangsanschlüsse 19 und 20 mit den gekreuzten Ausgangsanschlüssen 22 bzw. 21 in Verbindung stehen. Der Wandler 27 erzeugt eine akustische Oberflächenwelle (bei Radiofrequenz), dessen akustische Treiberfrequenz f_ac (ungefähr 174 ± 10 MHz, für Vorrichtungen, welche bei 1550 nm arbeiten, und 210 ± 10 MHz für solche, welche bei 1300 nm arbeiten) entsprechend der Länge der optischen (Resonanz-)Welle, bei welcher die Polarisationswandlung TE ⇒ TM und TM ⇒ TE stattfindet. Die optischen Signale, welche von den Leitungsfasern 41 und 42 kommen, wandern entlang der doppelbrechenden Fasern 35 und 36, treten in den Polarisationsteiler 4 ein, wo die Polarisationskomponenten TE und TM aufgeteilt werden, und wandern durch die Wellenleiterzweige 23 und 24 der Wandlerstufe 3, wo sie in den senkrecht zueinander polarisierten Zustand gewandelt werden. Die neuen Polarisationskomponenten TM und TE werden dann in den Polarisationsteiler 5 gesandt. Auf diese Weise treten die Polarisationskomponenten bei den ausgewählten Wellenlängen, welche von dem Eingangsanschluss 19 kommen, durch den Ausgangsanschluss 22 zusammen mit den Komponenten bei den nicht ausgewählten Wellenlängen, welche von dem Eingangsanschluss 20 kommen, aus; die Polarisationskomponenten bei den ausgewählten Wellenlängen, welche von dem Eingangsanschluss 20 kommen, treten durch den Ausgangsanschluss 21 aus, zusammen mit den Komponenten bei den nicht ausgewählten Wellenlängen, welche von dem Eingangsanschluss 19 kommen.
Die optischen Signale, welche in der Wandlerstufe 3 einer Polarisationswandlung unterzogen wurden, werden in den vollständigen gekreuzten Zustand (Kreuz-Zustand) überführt, wodurch die Funktion des Total-Schaltens erzeugt wird. Die optischen Signale, welche durch die Anschlüsse 21 und 22 austreten, wandern entlang der doppelbrechenden Fasern 37 und 38 und breiten sich in den Leitungsfasern 43 und 44 aus.
Wenn der Schalter 1 in dem aktiven Zustand ist, gibt es keine Polarisationsmodendispersion, weder in Gegenwart noch in Abwesenheit der doppelbrechenden optischen Fasern 35, 36, 37, 38 aufgrund der Polarisationswandlung, welche auf halbem Weg entlang des optischen Pfades stattfindet, welcher auf dem Substrat 2 integriert ist; auf diese Weise wechseln in Abwesenheit der doppelbrechenden optischen Fasern die langsamen und schnellen Polarisationskomponenten gegenseitig in den jeweiligen optischen Pfaden über, und die Polarisationsmodendispersion wird innerhalb des Substrats kompensiert. In Gegenwart der doppelbrechenden optischen Fasern wird jeder Teil des optischen Pfades auf dem Substrat, wobei das Signal seine Polarisation beibehält, durch einen Teil von doppelbrechender optischer Faser, welcher ihr entspricht, getrennt kompensiert, so dass dadurch eine totale Kompensation ausgeführt wird.
In Gegenwart der doppelbrechenden optischen Fasern 35, 36, 367, 38 wird die Polarisationsmodendispersion gleichmäßig kompensiert, da die zusätzliche Verzögerung, welche zwischen den zwei Polarisationskomponenten aufgrund des Durchlaufs durch die doppelbrechende optische Faser 35 (oder 36) akkumuliert, durch einen Vorsprung kompensiert wird, welcher den gleichen Absolutwert besitzt, aufgrund des Durchlaufs (bei ausgetauschten Polarisationen als Ergebnis der Polarisationswandlung) in einem Teil der doppelbrechenden Faser 38 (oder 37), welcher Merkmale ähnlich zu denen der doppelbrechenden Fasern 35 (oder 36) und speziell die gleiche Länge und die gleiche Doppelbrechung besitzt.
Um den gleichen Effekt der Kompensation der Polarisationsmodendispersion zu erhalten, ist es möglich, Zuflucht zu Varianten der Konfiguration der akustooptischen Vorrichtung zu nehmen, welche in 1 gezeigt wird.
Der externe optische Kompensationspfad kann durch Nutzen eines ersten Teils einer doppelbrechenden optischen Faser der Länge L_e hergestellt werden, welche mit dem Eingangsanschluss 19 (oder 20) verbunden ist, und eines zweiten Teils der doppelbrechenden optischen Faser der Länge L_e, welche mit dem Eingangsanschluss 22 (oder 21) verbunden ist. Z. B. können mit einem Substrat 2 aus Lithiumniobat, welches eine Länge von ungefähr 60 mm besitzt, zwei Fasern verwendet werden, welche eine Länge von L_e von ungefähr 8,6 m und einen Doppelbrechungsindex von ungefähr Δn_e = 0,0005 besitzen.
In dem Fall, in dem nur einer der zwei Eingänge der Vorrichtung 1 aktuell benutzt wird, z. B. der Eingangsanschluss 19, ist es möglich, die Kompensation der Polarisationsmodendispersion über eine einzelne doppelbrechende optische Faser zu erhalten, mit einer Länge L_e, welche in dem Beispiel mit dem Ausgangsanschluss 21 verbunden ist.
Allgemeiner ausgedrückt, kann der externe Kompensationspfad durch das Benutzen doppelbrechender optischen Fasern 35, 36, 37, 38 hergestellt werden, welche eine Länge gleich a, L_e – a, L_e -a,a besitzen, wobei a eine willkürliche Länge ist, welche von 0 bis L_e reicht.
In den 3, 4 und 5 werden Kurven der differentiellen Verzögerung Δt (ps) als Funktion der Wellenlänge λ (nm) gezeigt, welche unter den Bedingungen der direkten Übertragung (Sperr-Zustand) in einer akustooptischen Vorrichtung beobachtet wird, welche einen Schalter aufweist (in dem passiven Zustand), welcher in einem Substrat 2 aus Lithiumniobat hergestellt ist, welches eine Länge von ungefähr 4,1 cm für drei verschiedene Werte der Länge der doppelbrechenden Kompensationsfaser, 53 cm, 4,53 m bzw. 6,53 m aufweist. Man sieht, dass der Durchschnittswert von Δt jeweils gleich 10,1 ps, 4,8 ps bzw. 1,8 ps ist.
Die Vorteile der Erfindung werden offensichtlich, wenn man die Ergebnisse, welche in den 3, 4 und 5 wiedergegeben werden, vergleicht mit denen, welche in 6 wiedergegeben werden, welche sich auf eine herkömmliche akustooptische Vorrichtung beziehen, ohne einen externen optischen Kompensationspfad, erzielt durch ein Substrat, welches eine Länge von 6,2 cm aufweist. In diesem Fall beträgt der Durchschnittswert von Δt gleich 15,7 ps.
Diese Ergebnisse werden in 7 zusammengefasst, wobei hier die Kurve der differentiellen Verzögerung Δt (in Pikosekunden) als Funktion der Länge L_e (in Zentimetern) einer doppelbrechenden Faser des Typs PANDA SM(C) 15-P gezeigt wird, welche eine Doppelbrechung von ungefähr Δn_e = 4,5·10^–4 besitzt. Die Figur, welche sich auf die Vorrichtung von 6 (Länge des optischen Kompensationspfades gleich null) bezieht, wurde berechnet, indem die Differenz zwischen der Länge des Substrats und der Länge des Substrats der Vorrichtungen der 3, 4 und 5 berücksichtigt wurde. Man sieht, dass die Länge der doppelbrechenden Faser, welche in der Lage ist, total die Polarisationsmodendispersion zu kompensieren (Δt = 0), eine Länge von 785 cm aufweist.
In 2 wird eine Variante der akustooptischen Vorrichtung der 1 gezeigt, wobei die gleichen Teile mit den gleichen Ziffern versehen sind. In dieser Vorrichtung wird der externe optische Kompensationspfad durch optische Pfade in dem Wellenleiter 51, 52, 53 und 54 gebildet, welche in zwei zusätzlichen Substraten aus Lithiumniobat 55 und 56 erzeugt werden, welche optisch mit dem Substrat 2 verbunden sind. Die optischen Pfade 51, 52, 53 und 54 sind hier mit den optischen Leitungsfasern 41, 42, 43 und 44 mit Hilfe von Verbindungselementen 45 verbunden.
Die Substrate 55 und 56 sind vom Typ mit z-Schnitt und mit y-Ausbreitung, während das Substrat 2, wie vorher ausgesagt, vom Typ mit x-Schnitt und y-Ausbreitung ist. Die Substrate 55 und 56 sind bezüglich des Substrats 2 so ausgerichtet, dass die z-Achse der Substrate 55 und 56 mit der x-Achse des Substrates 2 zusammenfällt und die x-Achse der Substrate 55 und 56 mit der z-Achse des Substrats 2 zusammenfällt. Die optischen Pfade 51, 52, 53 und 54 besitzen eine Länge gleich L_d/2. Le = Ld·Δnd/Δne
Gemäß einer anderen Variante der Erfindung können die optischen Kompensationspfade durch Kompensationsstufen gebildet sein, welche aus einem doppelbrechenden Material (Doppelbrechung Δn_e), welches gewöhnlich ausgerichtet ist, hergestellt sind, mit einer Gesamtlänge, welche durch den Term gegeben ist. Le = Ld·Δnd/Δne.
Der Schalter 1 der akustooptischen Vorrichtungen, welche in 1 und 2 gezeigt wird, hat den Vorteil, dass er reversibel ist, in dem Sinn, dass die Ausgangsanschlüsse 21 und 22 und die Fasern, die mit ihm verbunden sind, als Eingangsanschlüsse benutzt werden können, und die Eingangsanschlüsse 19 und 20 und die Fasern, die an ihn angeschlossen sind, können als Ausgangsanschlüsse genutzt werden.
Der Schalter 1 ist in der Lage, bei Raumtemperatur mit einem 100 nm breiten Band optischer Wellenlänge bei einer Zentralwellenlänge von ungefähr 1550 nm oder von 1300 nm betrieben zu werden, welche speziell für optische Telekommunikation interessant sind.
Das Substrat 2 besteht, wie gesagt, aus einem Kristall aus Lithiumniobat, welcher senkrecht zur Kristallachse x geschnitten ist, und die optischen Pfade in dem optischen Wellenleiter sind entlang der y-Achse des Kristalls ausgerichtet. Die Substrate 55 und 56 bestehen aus Kristallen aus Lithiumniobat, welcher senkrecht zur Kristallachse z geschnitten ist, und die optischen Pfade in den optischen Wellenleitern 51, 52, 53 und 54 sind entweder entlang der x-Achse oder der y-Achse des Kristalls ausgerichtet. Anstelle von Lithiumniobat ist es mög lich, ein anderes doppelbrechendes und photoelastisches Material auszuwählen, welches z. B. aus der Gruppe von LiTaO₃, TeO₂, CaMoO₄ ausgewählt ist. Die Länge des Substrates 2 beträgt ungefähr 40–60 mm.
Die optischen Pfade im optischen Wellenleiter auf dem Substrat 2 und der optische Wellenleiter 51, 52, 53 und 54 kann mit Hilfe von Diffusion im Substrat 2 aus einer Substanz hergestellt werden, welche in der Lage ist, den Brechungsindex zu erhöhen. Wenn man eine photolithographische Maske benutzt, ist es möglich, eine Ablagerung einer Schicht aus Ti durchzuführen, welche eine Dicke von beispielsweise 120 nm besitzt, und eine darauf folgende Diffusion 9 Stunden lang bei einer Temperatur von 1030°C durchzuführen. Bei den optischen Pfaden im Wellenleiter hat die Maske z. B. eine Öffnung, welche eine Breite von ungefähr 7 nm besitzt.
Die akustischen Wellenleiter 25 und 26 können mit Hilfe einer photolithographischen Maske hergestellt werden, welche durch die Streifen 28 des Substrates 2 begrenzt wird. Innerhalb der Oberfläche, welche durch die Öffnungen der Maske begrenzt wird, wird eine Ablagerung einer Schicht von Ti mit einer Dicke von beispielsweise 160 nm und einer darauf folgenden Diffusion Ti in dem Substrat 31 Stunden lang in einem Ofen bei einer Temperatur von 1060°C durchgeführt. Aufgrund der Diffusion nimmt die Geschwindigkeit der akustischen Wellen um ungefähr 0,3% zu, so dass die Flächen 28 als Begrenzungen der akustischen Wellen entlang der Leiter 25 und 26 agieren.
Die optischen Wellenleiter sind vorzugsweise monomodal für die verwendeten optischen Wellen.
Vorzugsweise weist der elektroakustische Wandler 27 15–20 oder mehr Paare von Interdigitalelektroden mit einer Periodizität von ungefähr 20,8 Mikrometer auf. Vorzugsweise besitzen die Elektroden einen variablen Pitch ("chirp"), um so das Ansprechband zu erweitern. Der Wert der Periodizität hängt von dem Wert der Wellenlänge in dem Lithiumniobat für eine akustische Oberflächenwelle mit einer Frequenz von ungefähr 173,5 MHz ab, welches der Wert ist, welcher für die TM ⇔ TE-Wandlung bei einer optischen Wellenlänge bei ungefähr 1550 nm ist. Durch Modifizieren der Periodizität der Elektroden ist es möglich, Wandler herzustellen, welche für akustooptische Vorrichtungen geeignet sind, welche in anderen Wellenlängenbändern betrieben werden. Die Elektroden können durch Ablagern einer Metallschicht auf dem Substrat, z. B. von Aluminium, mit einer Dicke von 500 nm hergestellt werden.
Es ist möglich, die akustooptische Vorrichtung auf die Wellenlänge von 1550 nm oder von 1600 nm abzustimmen, um 50 nm bezüglich der Zentralwellenlänge von 1550 nm versetzt, indem die Interdigitalelektroden mit einer Leistung von ungefähr 100 mW betrieben werden, im Gegensatz zu den ungefähr 50 mW, welche für den Betrieb bei der Zentralwellenlänge erforderlich ist.

Claims

Akustooptische Wellenleitervorrichtung mit Kompensation der Polarisationsmodendispersion, welche aufweist a) einen ersten und einen zweiten optischen Pfad bzw. Weg in einem optischen Wellenleiter, welcher in einem ersten Substrat (2) aus doppelbrechendem Material gebildet ist, welcher durch eine erste und durch eine zweite Polarisationskomponente eines optischen Signals orthogonal bzw. senkrecht zueinander durchlaufen werden kann, (b) eine Vorrichtung (27), welche eine akustische Oberflächenwelle erzeugen kann, welche mit wenigstens einem Wellenleiterzweig (23; 24) der optischen Pfade verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese aufweist (c) wenigstens einen optischen Kompensationspfad (35; 36; 37; 38; 51; 52; 53; 54), welcher optisch mit den optischen Pfaden verbunden ist, wobei der optische Kompensationspfad (35; 36; 37; 38; 51; 52; 53; 54) eine vorher festgelegte Polarisationsmodendispersion besitzt, so dass die Durchlauf zeit der ersten Polarisationskomponente in dem ersten optischen Pfad und in dem optischen Kompensationspfad (35; 36; 37; 38; 51; 52; 53; 54) sich um weniger als einen vorher festgelegten Betrag von der Durchlaufzeit der zweiten Polarisationskomponente in dem zweiten optischen Pfad und in dem optischen Kompensationspfad (35; 36; 37; 38; 51; 52; 53; 54) wenigstens im nicht aktiven Zustand der Vorrichtung unterscheidet, wobei der optische Kompensationspfad in Bezug auf den ersten und zweiten optischen Pfad in dem Wellenleiter so orientiert ist, dass seine langsame Achse mit der schnellen Achse des ersten und zweiten optischen Pfades in dem Wellenleiter zusammenfällt und seine schnelle Achse mit der langsamen Achse des ersten und zweiten optischen Pfades im Wellenleiter zusammenfällt.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein optischer Kompensationspfad (35; 36; 37; 38; 51; 52; 53; 54) und der erste und zweite optische Pfad, welche in dem ersten Substrat (2) erzielt sind, jeweils Doppelbrechungen, Längen und jeweils reziproke Orientierungen besitzen, so dass die Durchlaufzeit der ersten Polarisationskomponente in dem ersten optischen Pfad und in dem optischen Kompensationspfad (35; 36; 37; 38; 51; 52; 53; 54) sich um weniger als einen vorher festgelegten Betrag von der Durchlauf zeit der zweiten Polarisationskomponente in dem zweiten optischen Pfad und in dem optischen Kompensationspfad (35; 36; 37; 38; 51; 52; 53; 54) unterscheidet.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des optischen Kompensationspfades (35; 36; 37; 38; 51; 52; 53; 54) durch den Term bestimmt ist Le = Ld·Δnd/Δne wobei L_d die erste Länge eines der ersten und zweiten optischen Pfade ist, Δn_d die Doppelbrechung des ersten und zweiten optischen Pfades ist und Δn_e die Doppelbrechung des optischen Kompensationspfades ist.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kompensationspfad (35; 36; 37; 38) durch wenigstens ein erstes Teil der Polarisations erhaltenden, doppelbrechenden optischen Faser gebil det ist, welche mit dem ersten und dem zweiten optischen Pfad in dem optischen Wellenleiter verbunden ist, welcher in dem ersten Substrat (2) erzielt ist.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil der doppelbrechenden optischen Faser (35; 36; 37; 38) eine Länge gleich L_e besitzt.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kompensationspfad (51; 52; 53; 54) durch wenigstens einen zweiten optischen Wellenleiter gebildet ist, welcher in einem zweiten Substrat des doppelbrechenden Materials (55; 56) erzielt ist, welcher mit dem ersten und zweiten optischen Pfad in dem optischen Wellenleiter, welcher in dem ersten Substrat (2) erzielt ist, verbunden ist.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite optische Wellenleiter (51; 52; 53; 54) eine Länge von L_d besitzt.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Substrat (2) gebildet sind: d) wenigstens eine Polarisationswandlerstufe (3), welche einen ersten und einen zweiten Zweig in dem optischen Wellenleiter (23; 24) des ersten und zweiten optischen Pfades in dem optischen Wellenleiter beinhaltet, e) wenigstens ein akustischer Wellenleiter, welcher die Zweige in dem optischen Wellenleiter (23; 24) enthält, wobei die Vorrichtung zum Erzeugen einer akus tischen Oberflächenwelle mit den Zweigen in dem optischen Wellenleiter (23; 24) verbunden ist, f) ein Eingangs-polarisationsselektives Element (4) in der Polarisationswandlerstufe (3) und ein Ausgangspolarisationsselektives Element (5) in der Polarisationswandlerstufe (3), welche mit den Zweigen in dem optischen Wellenleiter (23; 24) verbunden sind, um die erste und zweite Polarisationskomponente zu trennen und wieder zu vereinen, und mit den Eingangsanschlüssen (19, 20) und den Ausgangsanschlüssen (21, 22) verbunden sind.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Teile der doppelbrechenden optischen Fasern (35, 36, 37, 38) vom Typ der Polarisationserhaltung mit den Eingangsanschlüssen (19, 20) und den Ausgangsanschlüssen (21, 22) verbunden sind.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen optischen Wellenleiter (51, 52, 53, 54), welche in dem zweiten und in einem dritten Substrat aus doppelbrechendem Material (55, 56) erzielt sind, mit den Eingangsanschlüssen (19, 20) und den Ausgangsanschlüssen (21, 22) verbunden sind.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile der doppelbrechenden optischen Fasern (35, 36, 37, 38) des Typs mit Polarisationserhaltung bezüglich dem ersten und zweiten optischen Pfad in dem Wellenleiter so ausgerichtet sind, dass ihre langsame Achse mit der schnellen Achse des ersten und zweiten optischen Pfades im Wellenleiter zusammenfällt und ihre schnelle Achse mit der langsamen Achse des ersten und zweiten optischen Pfades im Wellenleiter zusammenfällt.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (2) durch einen Kristall aus Lithiumniobat gebildet ist, welcher einen x-Schnitt und eine y-Ausbreitung besitzt und das zweite und dritte Substrat (55, 56) bezüglich des ersten Substrats (2) so ausgerichtet sind, dass die z-Achse des zweiten und dritten Substrats (55, 56) mit der x-Achse des ersten Substrats (2) zusammenfällt und die x-Achse des zweiten und dritten Substrats (55, 56) mit der z-Achse des ersten Substrats (2) zusammenfällt.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile der doppelbrechenden optischen Faser (35, 36, 37, 38) des Typs mit Polarisationserhaltung jeweils eine Länge gleich L_e/2 besitzen.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Wellenleiter (51, 52, 53, 54) jeweils eine Länge gleich Ld/2 besitzen.
Akustooptische Vorrichtung nach Anspruch 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile der doppelbrechenden optischen Faser (35, 36, 37, 38) des Typs mit Polarisationserhaltung einen Doppelbrechungsindex Δt besitzen, welcher von ungefähr 0,0001 bis ungefähr 0,001 reicht.