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Die
Erfindung betrifft ein integriert-optisches Bauteil gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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In
zahlreichen Anwendungen, in denen optische Sensoren und optische Übertragungseinrichtungen
mit hohen Übertragungsraten
eingesetzt werden, ist es von entscheidender Bedeutung, über einen
genau definierten Polarisationszustand der Lichtwelle zu verfügen. Darüber hinaus
stellt die Polarisationsempfindlichkeit anisotroper integriert-optischer
Bauteile, die für
den Einsatz in optischen Ein-/Ausschaltern, Umschaltern, Filtern
und Verstärkern
bestimmt sind, ein großes
Problem dar, das durch die Verwendung von Einrichtungen, die eine Änderung
der Polarisation erlauben, gelöst
werden kann.
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In
der Druckschrift EP-A-129 463 wird eine integriert-optische Polarisationseinrichtung
mit räumlicher
Polarisationsteilung beschrieben. In dieser Einrichtung werden Wechselwirkungsbereiche
dadurch erzeugt, daß ein
an sich stark anisotropes Substrat durch Dotierung oder Ionenaustausch
gezielt verändert
wird. Die Dotierung der Wechselwirkungsbereiche erfolgt derart,
daß diese
Bereiche einen effektiven Brechungsindex aufweisen, der kleiner
bzw. größer ist
als die Brechungsindizes eines Übertragungswellenleiters
für die
erste und zweite Polarisationsrichtung. Auf diese Weise wird die
Komponente einer Welle mit der zweiten Polarisationsrichtung nicht mehr
weitergeleitet.
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Bei
einer Einrichtung dieser Art wird das einer der Polarisationen entsprechende
Licht unterdrückt
und kann nicht rückgewonnen
werden. Es kommt daher zu einem Energieverlust und in einigen Fällen zu
einem Informationsverlust. Mit einer Einrichtung dieser Art können nur
zwei Polarisationen geteilt, jedoch in keinem Fall eine Polarisationsrotation
durchgeführt
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein integriert-optisches Bauteil
mit Polarisationswirkung zu schaffen, in dem der Polarisationszustand des
Lichts gezielt beeinflußt
werden kann, d.h. dieser Polarisationszustand beibehalten oder gezielt
verändert
werden kann. Das Bauteil muß die
Realisierung jeder Art von Polarisator oder die Durchführung einer Polarisationsrotation
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Einrichtung gemäß dem Patentanspruch
1 gelöst.
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Laterale
planare Streifenwellenleiter beeinflussen die Anisotropie des Übertragungswellenleiters
durch mechanische Spannungen und geometrische Wirkungen, so daß ein Wellenleiter
mit hoher Doppelbrechung entsteht.
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Nach
einer ersten Weiterbildung der Erfindung umfaßt das Bauteil planare Streifenwellenleiter, die
symmetrisch auf beiden Seiten des Übertragungswellenleiters angeordnet
sind. Der Übertragungswellenleiter
besitzt in diesem Fall Eigenschaften zum Halten des Polarisationszustands
bei gleichzeitig maximaler Doppelbrechung des Übertragungswellenleiters.
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Nach
einer zweiten Weiterbildung der Erfindung umfaßt das Bauteil planare Streifenwellenleiter, die
asymmetrisch auf beiden Seiten des Übertragungswellenleiters angeordnet
sind. Durch diese asymmetrische Störung des Indexprofils werden
die Eigenachse bzw. Eigenachsen des Übertragungswellenleiters geneigt,
so daß sich
Anordnungen herstellen lassen, mit denen der Polarisationszustand des
Lichts verändert
werden kann.
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Um
die Verluste zwischen dem Übertragungswellenleiter
und dem planaren Streifenwellenleiter zu reduzieren, kann der planare
Streifenwellenleiter in einem bestimmten Abstand von vorzugsweise
einigen Zehntel Mikrometern vom Übertragungswellenleiter
angeordnet werden.
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Zur
Erhöhung
der mechanischen Spannungen kann das Bauteil mindestens einen zusätzlichen planaren
Wellenleiter umfassen, der auf der dem Übertragungswellenleiter abgewandten
Seite eines zugeordneten planaren Streifenwellenleiters, parallel zur
Längsachse
des Übertragungswellenleiters
angeordnet ist.
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Mehrere
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile und Merkmale näher
erläutert.
Dabei zeigen
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1 bis 3 drei
besondere Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Bauteils, bei denen die
Störungen
symmetrisch zur Längsachse
des Übertragungswellenleiters
ausgebildet sind.
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4 die Änderung
des effektiven Brechungsindexes in dem Bauteil aus 3;
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5 eine
besondere Ausgestaltung der Erfindung, bei dem der Übertragungswellenleiter
als Koppler ausgebildet ist;
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6 und 7 zwei
besondere Ausgestaltungen der Erfindung mit einem einzelnen planaren Streifenwellenleiter;
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8 und 9 zwei
besondere Ausgestaltungen der Erfindung mit mehreren planaren Streifenwellenleitern,
die abwechselnd auf beiden Seiten des Übertragungswellenleiters angeordnet
sind.
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1 zeigt
einen Übertragungswellenleiter 1,
der in integrierter Optik in ein Substrat 2 eingebracht
ist. Durch links und rechts in 1 eingezeichnete
Pfeile wird die Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle im Wellenleiter 1 angezeigt.
Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung ist das Substrat 2 als Glassubstrat
ausgebildet, und der Wellenleiter 1 ist auf bekannte Weise
durch Ionenaustausch eingebracht. Während des Ionenaustauschs bewirken
mechanische Spannungen anisotrope Änderungen des Brechnungsindexes
im Wellenleiter, so daß der
daraus resultierende Wellenleiter 1 ein Wellenleiter mit Doppelbrechung
ist. Ein Wellenleiter dieser Art weist jedoch keine ausreichende
Doppelbrechung auf, um gezielte Polarisationswirkungen zu erzielen.
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Durch
Einbringen geeigneter zusätzlicher Spannungen
oder Störungen
in den Wellenleiter 1 läßt sich
eine hohe Doppelbrechung des Leiters erzielen.
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Diese
zusätzlichen
Spannungen oder Störungen
werden erfindungsgemäß durch
Strukturen erzielt, die mindestens einen planaren Streifenwellenleiter 3 umfassen,
welcher seitlich zum Wellenleiter 1 angeordnet ist. Diese
Strukturen, die den Wellenleiter 1 mit zusätzlichen
Spannungen oder Störungen
beaufschlagen, werden gleichzeitig mit dem Wellenleiter 1 in
das Substrat eingebracht. Es muß dabei nämlich lediglich
die zur Herstellung des Wellenleiters 1 bestimmte Maske
angepaßt
werden, so daß man
durch Ionenaustausch gleichzeitig den Wellenleiter 1 und
die planaren Wellenleiter 3 herstellen kann, ohne daß hierzu
ein zusätzlicher
Arbeitsschritt notwendig wäre.
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Bei
der gezeigten Ausgestaltung besteht ein planarer Streifenwellenleiter 3 aus
mehreren lateralen Wellenleitern 4 der Breite I1 und der
Länge L1,
die parallel zueinander sowie rechtwinklig zur Längsachse A des Wellenleiters 1 angeordnet
und durch einen Abstand d voneinander getrennt sind.
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In
den 1 und 2 schneidet der Wellenleiter 1 mit
der Breite I2 rechtwinklig und in gleichmäßigen Abständen die symmetrisch auf beiden
Seiten des Wellenleiters 1 angeordneten lateralen Wellenleiter 4.
Die lateralen Wellenleiter 4 erhöhen in Ausbreitungsrichtung
des Lichtes periodisch die laterale Komponente der auf den Wellenleiter 1 wirkenden
Spannungen. Sie erhöhen
damit auch periodisch die Doppelbrechung des Wellenleiters 1.
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Da
die lateralen Wellenleiter 4 schmal ausgebildet sind und
rechtwinklig zur Achse A des Wellenleiters 1 verlaufen,
treten nur geringe Verluste auf, und das durch den Wellenleiter 1 geführte Licht
wird kaum in die lateralen Wellenleiter abgelenkt.
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Durch
die symmetrische Einwirkung der Spannungen auf den Wellenleiter 1 läßt sich
ein anisotroper Wellenleiter 1 mit guten Polarisationshalteeigenschaften
erzielen.
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Zur
Erhöhung
der auf den Wellenleiter 1 wirkenden Spannungen können zusätzliche
planare Wellenleiter 5 entsprechend der Darstellung in 2 in
das Substrat eingebracht werden. Ein Wellenleiter 5 der
Breite I3 und der Länge
L2 ist parallel zur Längsachse
A des Wellenleiters 1, auf der dem Wellenleiter 1 abgewandten
Seite eines zugeordneten planaren Streifenwellenleiters 3 angeordnet.
So sind in 2 Wellenleiter 5 auf
beiden Seiten des Wellenleiters 1, in einem Abstand L1
von diesem an der Außenseite
des Bauteils angeordnet. Der Abstand L1 muß ausreichend groß sein,
um Verluste durch Kopplungen vom Wellenleiter 1 in den
Wellenleiter 5 zu vermeiden.
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Die
In Figur gezeigte besondere Ausgestaltung unterscheidet sich von
der Anordnung in 2 dadurch, daß die lateralen
Wellenleiter 4 nicht mit dem Wellenleiter 1 in
Berührung
stehen, sondern in einem Abstand e vom Wellenleiter 1 ausgebildet sind.
Der Abstand e, der typischerweise kleiner als einige Zehntel Mikrometer
ist, erlaubt die Reduzierung der Restkopplungen und damit der Verluste
sowie eine Verbesserung der Lichtleitung durch den Wellenleiter 1.
Die durch die Wellenleiter 4 auf den Wellenleiter 1 wirkenden
Spannungen werden so im Vergleich zu den Ausgestaltungen gemäß 1 und 2 vermindert.
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4 zeigt
die Änderung
der effektiven Brechungsindizes nTM (durchgezogene Linie) und nTE (gestrichelte
Linie) für
TM- und TE-Polarisation.
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Da
die Herstellung der Wellenleiter gleichzeitig erfolgt, hängen ihre
effektiven Brechungsindizes im wesentlichen von ihren Abmessungen
ab. Diese werden so gewählt,
daß die
effektiven Brechungsindizes in den planaren Streifenwellenleitern
kleiner oder gleich den effektiven Brechungsindizes im Übertragungs
wellenleiter 1 sind und so optische Verlustabstrahlungen
in Richtung der planaren Streifenwellenleiter verhindert werden.
In der Praxis sind die effektiven Brechungsindizes eines Wellenleiters umso
geringer, je schmaler der Wellenleiter ist.
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Die
Analyse der Änderung
des effektiven Brechungsindexes in 4 zeigt
bei Betrachtung dieser Änderungen
von links nach rechts, daß die
Indizes nTM und nTE im zusätzlichen
Wellenleiter 5 erste hohe Werte n1TM und n1T aufweisen,
dann auf mittlere Werte n2TM und n2TE im planaren Streifenwellenleiter 3 absinken
und anschließend
in dem zwischen dem planaren Streifenwellenleiter 3 und
dem Wellenleiter 1 ausgebildeten Bereich sehr kleine Werte
n3TM und n3TE annehmen, bevor sie im Wellenleiter 1 erneut
auf hohe Werte n4TM und n4TE steigen. Die Indexänderungen verlaufen im Bezug zum
Wellenleiter 1 symmetrisch. Der Abstand e zwischen den
Wellenleitern 1 und 3 verbessert die Lichtleitung
im Wellenleiter 1. Die effektiven Brechungsindizes n1TM
und n1TE des zusätzlichen
Wellenleiters 5 sind größer als
die effektiven Brechungsindizes n4TM und n4TE des Wellenleiters 1.
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Der
große
Abstand zwischen dem zusätzlichen
Wellenleiter 5 und dem Wellenleiter 1 verhindert jede
Verlustabstrahlung zwischen den beiden Wellenleitern, obwohl der
zusätzliche
Wellenleiter 5 aufgrund seiner großen Oberfläche höhere effektive Brechungsindizes
aufweist als der Wellenleiter 1.
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Durch
die in 1 bis 3 gezeigten Bauteile lassen
sich Wellenleiter mit sehr hoher Doppelbrechung erzielen, die ein
gutes Verhalten bezüglich der
Haltung des Polarisationszustands des Lichtes aufweisen. Sie können insbesondere
für die
Herstellung von Phasenverschiebern und Polarisatoren verwendet werden.
Die Ausgestaltung nach 3 kann aufgrund des in der TE-Mode
wirksamen Tunneleffekts insbesondere zur Herstellung eines Polarisators
verwendet werden.
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Der
in 5 dargestellte Übertragungswellenleiter 1 ist
als Koppler mit zwei parallelen Wellenleitern 1a und 1b ausgebildet.
In der dargestellten Ausgestaltung erfolgt die Einkopplung des Lichts
in das Bauteil über
den Eingang des Wellenleiters 1a und der Lichtaustritt
teilweise aus dem Wellenleiter 1a und durch Kopplung aus
dem Wellenleiter 1b. Die Wechselwirkungen zwischen den
beiden Wellenleitern haben allgemein eine Neigung der Eigenachsen der
beiden Wellenleiter 1a und 1b zur Folge. Eine
solche Rotation der Eigenachsen macht es jedoch schwierig, den Polarisationszustand
im Koppler zu steuern. Durch Verwendung von Strukturen der mit Bezug
auf 1 und 3 beschriebenen Art kann diese
Neigung der Eigenachsen der Wellenleiter 1a und 1b vermindert
oder sogar vollkommen kompensiert werden. In 5 sind zwei
planare Streifenwellenleiter 3 symmetrisch auf beiden Seiten
der aus den beiden Wellenleitern 1a und 1b bestehenden
Anordnung angeordnet. Wie in 2 ist es
möglich,
zusätzliche
planare Wellenleiter 5 vorzusehen, und die Wellenleiter 3 können wie
in 3 in einem Abstand e vom jeweiligen Wellenleiter 1a bzw. 1b angeordnet werden.
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In 5 ist
ein planarer Streifenwellenleiter 6 in dem zwischen den
Wellenleitern 1a und 1b ausgebildeten Zwischenbereich
angeordnet. Der planare Streifenwellenleiter 6 in diesem
Zwischenbereich besteht aus mehreren parallel zueinander verlaufenden Zwischenwellenleitern,
die in der Verlängerung
der lateralen Wellenleiter 4 der planaren Wellenleiter 3 angeordnet
sind. Die Breite I4 der Wellenleiter 7 ist geringer als
die Breite I1 der entsprechenden Wellenleiter 4. So wird
durch die lateralen planaren Streifenwellenleiter 3 die
Doppelberechung der Wellenleiter 1a und 1b periodisch
erhöht
und gleichzeitig die Neigung ihrer Eigenachsen kompensiert oder
reduziert. Der planare Streifenwellenleiter 6 im Zwischenbereich
kann zur Erzielung einer besseren Kompensation der Eigenachsenneigung
entfallen.
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Ein
symmetrisches Bauteil mit wechselwirkenden Wellenleitern gemäß 5 kann
insbesondere für
adiabatische oder richtungsabhängige
Koppler mit Polarisationshaltung, für Y-Verzweigungen, für Polarisationsteiler
sowie für
Sternkoppler ("phased array") verwendet werden.
Durch geeignete Wahl der Abmessungen sowie des Abstands der Wellenleiter 4 und 7 können die
Verluste minimiert, die Eigenachsen der Wellenleiter 1a und 1b ausgerichtet
und so ihre Polarisationshalteeigenschaften bei gleichzeitiger Maximierung
der Doppelbrechung des Übertragungswellenleiters
verbessert werden.
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In 6 bis 9 sind
Bauteile dargestellt, bei denen die auf den Übertragungswellenleiter wirkenden
Strukturen asymmetrisch ausgebildet sind. Dadurch kann die Neigung
der Eigenachsen des Übertragungswellenleiters
beeinflußt
und so die Polarisation einer über
den Leiter geführten
Lichtwelle gezielt verändert
werden.
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Das
in 6 gezeigte Bauteil entspricht bauartgemäß dem Bauteil
aus 2, weist jedoch nur einen planaren Streifenwellenleiter 3 auf,
der einem, auf einer Seite des Übertragungswellenleiters 1 angeordneten
zusätzlichen
planaren Wellenleiter 5 zugeordnet ist. Diese Asymmetrie
hat aufgrund der Geometrie und der Spannungen im Wellenleiter 1 eine asymmetrische
Verteilung des Indexfeldes sowie eine Winkelrotation ∅ seiner
Eigenachsen in bezug zu den Eigenachsen einer symmetrischen Struktur zur
Folge, bei der die Achsen rechtwinklig bzw. parallel zur Oberfläche des
Substrats verlaufen. Durch die Eigenschaften des planaren Streifenwellenleiters 3 läßt sich
der Polarisationszustand des Lichts am Ausgang des Wellenleiters 1 gezielt
beeinflussen. Entspricht beispielsweise L3 der halben Überlagerungslänge der
TE und TM-Moden, erfährt
eine über
den Wellenleiter 1 geführte
Lichtwelle eine Rotation ihrer linearen Polarisationsebene um 2 ∅.
Bei TE bzw. TM-Anregung und einem Rotationswinkel von ∅ = 45° erhält man auf
diese Weise einen TE/TM-Polarisationswandler. Bei einem Rotationswinkel
von ∅ = 22,5° dreht
sich die Polarisationsebene um 45°,
was bei ausschließlicher
TE- bzw. ausschließlicher TM-Einkopplung
am Eingang des Wellenleiters einer gleichen Lichtverteilung zwischen
TE- und TM-Moden entspricht.
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Bei
einer Länge
L3 entsprechend einem Viertel der TE/TM-Überlagerungslänge und
einem Rotationswinkel von ∅ = 45° wird an dem Ende des Wellenleiters 1,
das dem Ende des planaren Wellenleiters 3 zugeordnet ist,
eine TE- bzw. TM-Welle
in eine Kreiswelle umgewandelt. So wird die gewünschte Phasenverschiebung zwischen
den Polarisationen durch die Länge
L3 des planaren Streifenwellenleiters 3 bestimmt. Die Neigung
der Eigenachsen des Übertragungswellenleiters 1 hängt von
der Breite I1, der Länge
L1 und vom Abstand d zwischen den lateralen Wellenleitern 4 des
planaren Streifenwellenleiters 2 ab.
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Wie
in 1 kann auch bei dem Bauteil gemäß 6 der
zusätzliche
planare Wellenleiter 5 entfallen. Der planare Streifenwellenleiter 3 kann
entsprechend der Darstellung in 7 in einem
Abstand e vom Wellenleiter 1 angeordnet sein.
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Bei
den Anordnungen gemäß 8 und 9 sind
planare Streifenwellenleiter 3 mit einer Periodenlänge Lp abwechselnd
auf beiden Seiten des Wellenleiters 1 angeordnet. In 8 stehen
die planaren Streifenwellenleiter 3 wie in 6 in
Berührung
mit dem Wellenleiter 1, während sie bei der Anordnung
nach 9 genauso wie in 7 in einem Abstand
e vom Wellenleiter 1 angeordnet sind.
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Ein
planarer Streifenwellenleiter 3 bewirkt wie in 6 und 7 eine
Rotation der Eigenachsen des Wellenleiters 1 um +∅ bzw. –∅.
Es läßt sich zeigen,
daß mit
planaren Streifenwellenleitern 3 der Länge L3 entsprechend der halben Überlagerungslänge der
TE- und TM-Moden und bei einem Rotationswinkel ∅ die Polarisation
der eintretenden Welle sich am Ende des ersten planaren Streifenwellenleiters
um +2 ∅, am Ende des, auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten
zweiten planaren Streifenwellenleiters um –4 ∅ und am Ende des
dritten planaren Streifenwellenleiters um +6 ∅ gedreht
hat. Allgemeiner ausgedrückt
beträgt
nach einer Anzahl von n, in Längsrichtung
abwechselnd auf beiden Seiten des Wellenleiters 1 angeordneten
planaren Streifenwellenleitern die Rotation der Polarisation (–1)n 2n ∅. Auf diese Weise lassen sich
große
und genaue Rotationswinkel des Polarisationszustands erzielen. Durch
Anordnung eines Polarisators am Ende des Wellenleiters 1 arbeitet
die Anordnung wie ein optisches Doppelbrechungsfilter vom Typ SOLC.
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Durch
unabhängige Änderung
des Rotationswinkels und der Länge
L3 jedes Abschnitts des Wellenleiters 1 mit geneigten Eigenachsen
läßt sich auf
sehr einfache Weise jede beliebige Polarisations-Übertragungsfunktion
erzielen und ein Bandfilter mit schmalem Nutzband realisieren, das
insbesondere in optischen Sensoren und in der optischen Kommunikation
eingesetzt werden kann.
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Die
in 8 und 9 gezeigten Anordnungen können auch
dann eingesetzt werden, wenn wie in 5 der Übertragungswellenleiter
aus zwei parallelen, gekoppelten Übertragungswellenleitern 1a und 1b besteht.
Auf diese Weise kann die Rotation ihrer Eigenachsen asymmetrisch
beeinflußt
werden, so daß sich
Bauteile zur Veränderung
der Polarisation einer Lichtwelle herstellen lassen, die mit optischen
Fasern nur sehr schwer oder gar nicht zu realisieren wären.
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Planare
Streifenwellenleiter können
auch in asymmetrischer Form, abwechselnd auf beiden Seiten eines
asymmetrischen Kopplers angeordnet werden, der aus zwei parallelen Übertragungswellenleitern 1a und 1b unterschiedlicher
Breite besteht. Sie können
so den vom asymmetrischen Koppler erzeugten Rotationswinkel kompensieren
und gleichzeitig die beiden effektiven Brechungsindizes der zwei
parallelen Wellenleiter 1a und 1b für einen
ersten Polarisations zustand (beispielsweise TM) synchronisieren
und für
den anderen, rechtwinklig zum ersten ausgerichteten Polarisationszustand
(TE) keine Synchronisation bewirken. In einem solchen Fall kommt
es für
den synchronisierten Polarisationszustand (TM) zur Kopplung zwischen
dem die einfallende Welle führenden
Wellenleiter 1 und dem zweiten Wellenleiter 1b des
Kopplers, während
für den
nicht synchronisierten Polarisationszustand (TE) keine Kopplung
eintritt. Dadurch läßt sich
insbesondere ein kompakter TE/TM-Polarisationsteiler geringer Baulänge herstellen.
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Sämtliche
oben beschriebenen Strukturen, mit denen mechanische Spannungen
im Übertragungswellenleiter
erzeugt werden, arbeiten passiv. Für ihren Betrieb ist eine externe
Einstellung daher nicht erforderlich. Allerdings kann durch Aufbringen einer
zusätzlichen
planaren Schicht auf die gesamte Oberfläche des Bauteils eine genauere
Steuerung der Doppelbrechung und des Rotationswinkels der Eigenachsen
des Übertragungswellenleiters
erzielt werden.
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Darüber hinaus
können
auf bekannte Weise die Phasenverschiebung zwischen TE- und TM-Wellen
sowie der Winkel ∅ durch thermooptische, elektrooptische,
chemooptische oder sonstige Wirkung verändert werden, so daß insbesondere
steuerbare optische Filter für
asymmetrische Strukturen hergestellt und gegebenenfalls eine Achsrotation
für symmetrische
Strukturen erzeugt werden können.
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Die
Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Verfahren des Ionenaustauschs
beschränkt,
sondern kann vielmehr in Verbindung mit jedem anderen bekannten
Verfahren der integrierten Optik eingesetzt werden. Die Wellenleiter
können
in oder auf das Substrat eingebracht werden. In Abhängigkeit
vom verwendeten Verfahren kann es zu unterschiedlichen Wirkungsweisen
der eine Anisotropie im Übertragungswellenleiter
verursachenden Strukturen kommen. Die Änderungen der Anisotropie des Wellenleiters
können
durch geometrische Wirkung oder durch mechanische Spannungen erzeugt
werden. In allen Fällen
kann das Bauteil einfach und genau, lediglich durch bestimmte geometrische
Anordnung von planaren Streifenwellenleitern 3 sowie gegebenenfalls
von zusätzlichen
planaren Wellenleitern 5 hergestellt werden.