EP1307781A1 - Optisches abstimmbares gitterunterstütztes add/drop-filter in codirectionaler funktionsweise - Google Patents

Optisches abstimmbares gitterunterstütztes add/drop-filter in codirectionaler funktionsweise

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EP1307781A1
EP1307781A1 EP01943152A EP01943152A EP1307781A1 EP 1307781 A1 EP1307781 A1 EP 1307781A1 EP 01943152 A EP01943152 A EP 01943152A EP 01943152 A EP01943152 A EP 01943152A EP 1307781 A1 EP1307781 A1 EP 1307781A1
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EP
European Patent Office
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add
optical
changing
drop filter
filter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01943152A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Grote
Georges Przyrembel
Huihai Yao
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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    • G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
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    • G02F2202/02—Materials and properties organic material
    • G02F2202/022—Materials and properties organic material polymeric

Definitions

  • the invention relates to an optically tunable grating-supported add / drop filter in codirectional mode of operation, comprising a structure of a directional coupler filter with at least two closely adjacent waveguides with different refractive indices, one of which has a grating.
  • add / drop filters are key components in so-called WDM (Wavelength Division Multiplexing) systems, in which several wavelengths are guided on a fiber link. These add / drop filters allow one or more wavelengths to be inserted and removed from the fiber. It is known to design add / drop filters in the structure of a directional coupler filter. In such a filter, at least two closely adjacent waveguides with different refractive indices are arranged, of which at least one waveguide has a grating, this grating is preferably applied to the waveguide with the larger refractive index.
  • Such an add / drop filter is, for example, in IEEE Phot.Technol. Lett., Vol. 4, No. December 12, 1992, pp. 1386-1389.
  • Tunable filters in the form of ordinary Mach-Zehnder interferometers are known from the prior art, which have a not very selective sin 2 filter curve.
  • the tunability of such filters can be achieved, for example, by means of heating electrodes applied separately to the waveguide (s), utilizing the thermo-optical effect.
  • Comparable filters are known in InP technology which can be detuned thermo-optically or electro-optically.
  • a thermo-optically detunable filter in Proc. of the 10 th Int. Conf. on InP and Rel. Mat, (IPRM'98), Tsukuba, Japan, (1998) pp.7 - Post-deadline paper.
  • the filter shown is implemented in materials of one class (III-V connections), namely GalnAsP / lnP, as an asymmetrical, lateral grating-supported codirectional directional coupler filter with two waveguides, a weakly leading and a strongly leading, the grating on the strongly leading Waveguide is arranged and leads to a wavelength-selective behavior of the component.
  • III-V connections namely GalnAsP / lnP
  • thermo-optical coupler switch has two SiO 2 waveguides guided in parallel which a polymer waveguide is arranged so that it intersects the two underlying SiO 2 waveguides and the polymer waveguide has a heating electrode at the intersection with the underlying SiO 2 waveguides.
  • planar SiO 2 waveguide is considered optical transmissive layer and the polymer waveguide used for the switching function.
  • the object of the invention is to provide a tunable add / drop filter with a spectral bandwidth of the filter pass curve in the range of greater than 50 GHz, which has a high resolution and a simpler and less expensive technological production and higher dimensional tolerances in general. to add / drop filters based on Ill-V materials.
  • bandwidth range from 50 GHz to 400 GHz is particularly interesting for current and future applications in the field of communication technology.
  • an add / drop filter of the type mentioned at the outset in that the material of the two waveguides is formed from two different classes of material with different optical parameters, the thermal refractive index coefficient dn / dT and / or electro-optical coefficient dn / dE and / or differentiate dn / d ⁇ of the two materials in such a way that when the same technical means for changing the temperature and / or electric field and / or wavelength act on the two waveguides, effects of different strength occur and means for changing these optical parameters are provided.
  • an add / drop filter based on a directional coupler structure in which two parallel waveguides are separated by a gap over a certain length, the two waveguides are dimensioned differently due to manufacturing tolerances and targeted adjustment (e.g. width, Height, refractive index). Associated with this are different propagation constants in the waveguides, ie the component is asymmetrical. At this Asymmetry means that a complete exchange of energy between the two waveguides is no longer possible. Symmetry can be found again if a grating is applied to a waveguide. The associated high frequency selectivity is used for the filter function.
  • the waveguides of an add / drop filter formed according to the invention from two different material classes, in which, as mentioned, the optical parameters differ from one another, enable the filter to be specifically tuned using simple technical means.
  • One embodiment of the add / drop filter according to the invention provides that one waveguide made of silica and the other waveguide made of a polymer material, in particular of a polymer material having non-linear optical properties.
  • Another embodiment of the invention provides that the waveguide with the larger refractive index has a grating.
  • the two waveguides are arranged vertically or horizontally to one another.
  • the implementation of the two waveguides in a layered planar microtechnology allows the entire filter to be produced in a simple and inexpensive manner.
  • the thermal refractive index coefficient dn / dT of the two waveguides formed from two material classes differs in such a way that when the temperature changes the same, the two waveguides react differently with respect to a change in the refractive index
  • the mean for changing the thermal refractive index dn / dT is one Device for changing the temperature, which acts on the entire surface of the chip, in particular from below.
  • this device can be identical to a device that is usually used for temperature stabilization of known add / drop filters, for example a Peltier element.
  • This Embodiment does not require an additional step for the production of specific heating electrodes and the associated control means and, with a homogeneous temperature change of the entire component in the two waveguides, enables changes in their refractive indices of different magnitudes, as a result of which an effective thermal tuning of the component can be achieved without the application of local heating electrodes.
  • both the temperature stabilization and temperature trimming to compensate for manufacturing tolerances and the desired wavelength tuning of the filter can be achieved with the solution according to the invention.
  • the means for changing the thermal refractive index coefficient dn / dT can be a heating electrode which is arranged on the waveguide, the coefficient of which has a greater temperature dependence.
  • Electrodes for generating an electric field E are provided as means for changing the optical parameter dn / dE, at least one electrode being arranged on the waveguide with the larger refractive index. If an electric field is applied to this waveguide, it is known that the refractive index of the polymer ( ⁇ n ⁇ E) changes due to the Pockels effect.
  • the person skilled in the art will carry out the special arrangement of the electrodes for generating an electric field, which influences the refractive index of the waveguide underneath, depending on the desired direction of the electric field and the acting electro-optical coefficient for a defined influence on the mode coupling.
  • a vertical electric field E is generated by means of an electrode arranged directly on the NLO polymer waveguide.
  • the electro-optical coefficient r 33 for TM polarization used.
  • a horizontal electric field E is generated by means of electrodes which are arranged on both sides of the polymer waveguide.
  • the electro-optical coefficient ri 3 is used here.
  • Polymers with a large electro-optical coefficient dn / dE can be used for tuning in the ps range. It can therefore be implemented more quickly than by means of a temperature change and effect via the thermo-optical effect in comparable arrangements. This applies in particular to the nonlinear optical polymer materials already mentioned.
  • the difference between the refractive indices of the two waveguides is chosen large enough that a grating known from the prior art can be used.
  • the grating period takes on large values if the refractive index difference becomes too small.
  • the filter has to be built very long (for example 100 mm), which is disadvantageous.
  • Increasing the grating stroke (grating amplitude) allows the grating length to be shortened, but care must be taken to ensure that the radiation losses remain negligible.
  • the dispersion dn / d ⁇ can be changed during the manufacture of the filter according to the invention by a different choice of material for the implementation of the waveguides.
  • the add / drop filter according to the invention can be tuned individually or in combination with one another by changing the optical parameters.
  • the geometrical sizes are approximately three times larger than when implemented in InP (III-V) with refractive indices of approximately 3. 3, which makes the manufacturing technology easier and cheaper, since higher dimensional tolerances are permitted.
  • the adaptation to optical glass fibers, which establish the connection to the four ports (input / output), can be significantly less attenuation (per length unit) without tapering than with add / drop filters based on InP.
  • a wavelength shift above the temperature of approximately 3 nm / K is expected for the tunability of the filter produced according to the invention in polymer / silica.
  • a lower sensitivity of 0.37nm / K is reported in the publications on comparable filters in InP.
  • Fig. 1 shows the shift of the filter curve with a uniformly acting on the chip having the inventive add / drop filter
  • the two waveguides are separated from one another by silicon with a thickness of 4 ⁇ m, which has a refractive index of 1, 444, and are arranged vertically to one another.
  • the waveguide formed from a polymer has a thickness of 2 ⁇ m, that of doped Si0 2 4 ⁇ m.
  • the waveguide with the larger refractive index has a grating, since the known masses are more efficient there and the length of the components can thus be shorter.
  • the grating stroke is 0.2 ⁇ m
  • the grating period is 64 ⁇ m
  • the total length of the waveguide is 10,600 ⁇ m.
  • the grating causes an energy transfer to be applied per grating period. After a certain number of grating periods, the light signal completely passes from one waveguide to the other.
  • a change in temperature affects the molecular chains of the polymer, which results in a change in the local refractive index and thus affects the filter characteristics.
  • FIG. 1 shows the shift in the filter curve when the temperature of the chip having the add / drop filter according to the invention is increased by 10 K.
  • the tuning behavior depending on the temperature was calculated. With a temperature increase of 10 K (from 20 ° C to 30 ° C) the refractive index of the polymer waveguide changes from 1.49 to 1.489. The shift in frequency to lower wavelengths when the temperature rises can be clearly seen.
  • the filter curves shown have a sinc characteristic.
  • a Gaussian filter curve can be realized by apodosing the grating. In this case, the grating stroke starts at 0 over the length of the waveguide structure up to a maximum value and then decays again to 0. Because of the low Lattice effectiveness increases the total length of the waveguide structure by about a factor of 3.
  • the dispersion values of the nonlinear optical polymers change from - 0.02 / ⁇ m to - 0.05 / ⁇ m.
  • gate 1 is the entrance, gate 2 'the exit, as shown here in the inserted picture.
  • the 3 dB bandwidth for the hybrid add / drop filter according to the invention is 4.1 nm with a dispersion value of - 0.012 / ⁇ m for SiO 2 and - 0.01 / ⁇ m for linear or passive polymers.
  • This bandwidth changes to 2 .5 nm for a nonlinear optical polymer with a dispersion of - 0.03 / ⁇ m. If the dispersion is increased to - 0.05 / ⁇ m, the 3dB bandwidth narrows further to 1.7 nm.

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Abstract

Ein optisches abstimmbares gitterunterstütztes Add/Drop-Filter in codirectionaler Funktionsweise, das eine Struktur eines Richtkoppler-Filters mit mindestens zwei dicht benachbart verlaufenden Wellenleitern mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufweist, soll eine spektrale Bandbreite der Filterdurchlasskurve im Bereich von 50 GHz bis 400 GHz bei hoher Auflössung aufweisen, abstimmbar und einfacher und kostengünstiger mit höheren Masstoleranzen i.V. zu Add/Drop-Filtern auf InP-Basis herstellbar sein. Erfindungsgemäss ist hierfür das Material der beiden Wellenleiter aus zwei verschiedenen Materialklassen mit unterschiedlichen optischen Parametern gebildet, wobei sich thermischer Brechungsindexkoeffizient dn/dT und/oder elektrooptischer Koeffizient dn/dE und/oder Dispersion dn/d lambda der beiden Materialien derart unterscheiden, dass bei Einwirkung mit gleichen technischen Mitteln zur Änderung von Temperatur und/oder elektrischem Feld und/oder Wellenlänge auf die beiden Wellenleiter unterschiedlich starke Wirkungen auftreten und Mittel für die Änderung dieser optischen Parameter vorgesehen sind. Als Materialien für die Wellenleiter, die vertikal oder horizontal zueinander angeordnet sind, werden Polymer und Silica angegeben. Für die Änderung des optischen Parameters dn/dT ist eine Vorrichtung zur Änderung der Temperatur vorgesehen, die auf die gesamte Fläche eines das Filter aufweisenden Chips wirkt, wobei diese Vorrichtung auch identisch sein kann mit einer Vorrichtung zur Temperaturstabilisierung des Chips.

Description

Bezeichnunα
Optisches abstimmbares gitterunterstütztes Add/Drop-Filter in codirectionaler Funktionsweise
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein optisches abstimmbares gitterunterstütztes Add/Drop-Filter in codirectionaler Funktionsweise, aufweisend eine Struktur eines Richtkopplerfilters mit mindestens zwei dicht benachbart verlaufenden Wellenleitern mit unterschiedlichen Brechungsindizes, von denen einer der Wellenleiter ein Gitter aufweist.
Add/Drop-Filter sind in der optischen Nachrichtentechnik Schlüsselkomponenten in so genannten WDM(Wavelength Division Multiplexing)-Systemen, in denen mehrere Wellenlängen auf einer Faserstrecke geführt werden. Diese Add/Drop-Filter erlauben das Einbringen (Add) und das Herausfiltern (Drop) einer oder mehrerer Wellenlängen in bzw. aus der Faser. Es ist bekannt, Add/Drop-Filter in der Struktur eines Richtkoppler-Filters (Directional Coupler Filter) auszubilden. In einem solchen Filter sind mindestens zwei dicht benachbart verlaufende Wellenleiter mit unterschiedlichen Brechungsindizes angeordnet, von denen mindestens ein Wellenleiter ein Gitter aufweist, vorzugsweise ist dieses eine Gitter auf dem Wellenleiter mit dem größeren Brechungsindex aufgebracht. Ein solches Add/Drop-Filter ist beispielsweise in IEEE Phot.Technol. Lett., Vol. 4, No. 12, December 1992, pp. 1386-1389 beschrieben.
Rein faseroptische Lösungen für Add/Drop-Filter, bei denen Silica für diese Fasern verwendet wird, sind in IEEE Phot. Technol. Lett., Vol. 8, No. 12,
December 1996, pp 1656-1658 und in US 5 978 530 beschrieben, wobei in letztgenannter Veröffentlichung der Hinweis auf die Ausführbarkeit in planaroptischer Geometrie gegeben wird. Diese faseroptischen Filter sind aber nicht abstimmbar ausgebildet.
Dem Stand der Technik nach sind abstimmbare Filter in Form von gewöhnlichen Mach-Zehnder-Interferometern bekannt, die eine nicht sehr selektive sin2-Filterkurve aufweisen. Die Abstimmbarkeit derartiger Filter kann z.B. durch separat auf dem/den Wellenleiter/n aufgebrachte Heizelektroden unter Ausnutzung des thermo-optischen Effektes realisiert werden.
In InP-Technologie sind vergleichbare Filter bekannt, die thermo-optisch oder elektro-optisch verstimmt werden können. Beispielsweise ist ein thermo- optisch verstimmbares Filter in Proc. of the 10th Int. Conf. on InP and Rel. Mat, (IPRM'98), Tsukuba, Japan, (1998) pp.7 - Post-deadline paper beschrieben. Das dargestellte Filter ist ausgeführt in Materialien einer Klasse (Ill-V-Verbindungen), nämlich GalnAsP/lnP, als asymmetrisches, laterales gitterunterstütztes codirektionales Richtkoppler-Filter mit zwei Wellenleitern, einem schwach führenden und einem stark führenden, wobei das Gitter auf dem stark führenden Wellenleiter angeordnet ist und zu einem wellenlängenselektiven Verhalten des Bauelementes führt. Für die Herstellung der erwähnten Filter in InP-Technologie sind jedoch für die kleineren Dimensionen höhere Fertigungsgenauigkeiten erforderlich; außerdem ist durch Modenfehlanpassung zu Glasfasern auch eine höhere Dämpfung vorhanden.
Dem Stand der Technik (siehe Electr. Lett. Vol. 36, No.5, pp. 430/431 , 2000) ist auch eine Lösung zu entnehmen, bei der ein thermo-optischer Kopplerschalter zwei parallel geführte Siθ2-Wellenieiter aufweist, auf denen ein Polymer-Wellenleiter so angeordnet ist, dass dieser die beiden darunterliegenden SiO2-Wellenleiter schneidet und der Polymer-Wellenleiter jeweils am Schnittpunkt mit den darunterliegenden Siθ2-Wellenleitern eine Heizelektrode aufweist. Hierbei wird der planare SiO2-Wellenleiter als optisch transmissive Schicht und der Polymer-Wellenleiter für die Schaltfunktion genutzt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein abstimmbares Add/Drop-Filter mit einer spektralen Bandbreite der Filterdurchlasskurve im Bereich von größer 50 GHz anzugeben, welches eine hohe Auflösung aufweist und eine einfachere und kostengünstigere technologische Herstellung und höhere Maßtoleranzen i.V. zu Add/Drop-Filtern auf der Basis von Ill-V-Materialien ermöglicht.
Angemerkt sei hierbei, dass der Bandbreitenbereich von 50 GHz bis 400 GHz besonders für heutige und zukünftige Anwendungen auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik interessant ist.
Die Aufgabe wird durch ein Add/Drop-Filter der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Material der beiden Wellenleiter aus zwei verschiedenen Materialklassen mit unterschiedlichen optischen Parametern gebildet ist, wobei sich thermischer Brechungsindexkoeffizient dn/dT und/oder elektrooptischer Koeffizient dn/dE und/oder Dispersion dn/dλ der beiden Materialien derart unterscheiden, dass bei Einwirkung mit denselben technischen Mitteln zur Änderung von Temperatur und/oder elektrischem Feld und/oder Wellenlänge auf die beiden Wellenleiter unterschiedlich starke Wirkungen auftreten, und Mittel für die Änderung dieser optischen Parameter vorgesehen sind.
Bei der bekannten Anordnung eines Add/Drop-Filters auf der Basis einer Richtkoppler-Struktur, bei der über eine bestimmte Länge zwei parallel laufende Wellenleiter durch ein Gap voneinander getrennt sind, sind die beiden Wellenleiter durch Herstellungstoleranzen und gezielte Einstellung unterschiedlich dimensioniert (z.B. Breite, Höhe, Brechungsindex). Damit verbunden sind unterschiedliche Ausbreitungskonstanten in den Wellenleitern, d. h. das Bauelement ist unsymmetrisch. Bei dieser Unsymmetrie ist ein vollständiger Energieaustausch zwischen den beiden Wellenleitern nicht mehr möglich. Eine Symmetrie lässt sich wieder finden, wenn ein Gitter auf einem Wellenleiter aufgebracht wird. Die damit verbundene hohe Frequenzselektivität wird für die Filterfunktion ausgenutzt. Die erfindungsgemäß aus zwei unterschiedlichen Materialklassen gebildeten Wellenleiter eines Add/Drop-Filters, bei denen sich die optischen Parameter - wie erwähnt - voneinander unterscheiden, ermöglichen eine gezielte Abstimmung des Filters mit einfachen technischen Mitteln.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Add/Drop-Filters sieht vor, dass ein Wellenleiter aus Silica und der andere Wellenleiter aus einem Polymermaterial, insbesondere aus einem nichtlineare optische Eigenschaften aufweisenden Polymermaterial, gebildet ist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wellenleiter mit dem größeren Brechungsindex ein Gitter aufweist.
In weiteren Ausführungsformen sind die beiden Wellenleiter vertikal oder horizontal zueinander angeordnet. Besonders die Realisierung der beiden Wellenleiter in einer schichtweisen planaren Mikrotechnik erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellungsweise des gesamten Filters.
Da sich erfindungsgemäss der thermische Brechungsindexkoeffizient dn/dT der beiden aus zwei Materialklassen gebildeten Wellenleiter derart unterscheidet, dass bei gleicher Änderung der Temperatur die beiden Wellenleiter unterschiedlich stark bezüglich einer Änderung des Brechungsindexes reagieren, ist das Mittel für die Änderung des thermischen Brechungskoeffizienten dn/dT eine Vorrichtung zur Änderung der Temperatur, die auf die gesamte Fläche des Chips, insbesondere von unten her, wirkt. Insbesondere kann diese Vorrichtung identisch sein mit einer Vorrichtung, die üblicherweise zur Temperaturstabilisierung bekannter Add/Drop-Filter, beispielsweise einem Peltier-Element, eingesetzt wird. Diese Ausführungsform erfordert keinen zusätzlichen Schritt zur Herstellung spezifischer Heizelektroden und der zugehörigen Ansteuermittel und ermöglicht bei einer homogenen Temperaturänderung des gesamten Bauelementes in den beiden Wellenleitern unterschiedlich große Änderungen ihrer Brechungsindizes, wodurch eine effektive thermische Abstimmung des Bauelementes ohne Aufbringen örtlicher Heizelektroden realisierbar ist. Somit kann - im Vergleich zu Lösungen des Standes der Technik - mit der erfindungsgemäßen Lösung sowohl eine Temperaturstabilisierung und eine Temperaturtrimmung zum Ausgleich von Herstellungstoleranzen als auch die angestrebte Wellenlängendurchstimmung des Filters realisiert werden.
Selbstverständlich kann aber auch in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung das Mittel für die Änderung des thermischen Brechungsindexkoeffizienten dn/dT eine Heizelektrode sein, die auf dem Wellenleiter angeordnet ist, dessen Koeffizient eine größere Temperaturabhängigkeit aufweist.
Für die Änderung des optischen Parameters dn/dE sind als Mittel Elektroden zum Erzeugen eines elektrischen Feldes E vorgesehen, wobei mindestens eine Elektrode auf dem Wellenleiter mit dem größeren Brechungsindex angeordnet ist. Wird an diesen Wellenleiter ein elektrisches Feld angelegt, so ändert sich bekanntlich aufgrund des Pockels-Effekts der Brechungsindex des Polymers (Δn ~ E). Die spezielle Anordnung der Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, das den Brechungsindex des darunterliegenden Wellenleiter beeinflusst, wird der Fachmann in Abhängigkeit der gewünschten Richtung des elektrischen Feldes und des wirkenden elektro-optischen Koeffizienten für eine definierte Beeinflussung der Modenkopplung ausführen. So wird beispielsweise zur Ausnutzung des größten elektro-optischen Koeffizienten für nichtlineare optische Eigenschaften aufweisende Polymerwellenleiter ein vertikales elektrisches Feld E mittels einer direkt auf dem NLO-Polymer-Wellenleiter angeordneten Elektrode erzeugt. In diesem Falle wird der elektro-optische Koeffizient r33 für die TM-Polarisation verwendet. Mittels Elektroden, die auf beiden Seiten des Polymer- Wellenleiters angeordnet sind, wird ein horizontales elektrisches Feld E erzeugt. Hierbei wird der elektro-optische Koeffizient ri3 verwendet. Allgemein
Mit Polymeren, die einen großen elektro-optischen Koeffizienten dn/dE aufweisen, kann die Abstimmung im ps-Bereich realisiert werden. Damit ist sie schneller realisierbar als mittels einer Temperaturänderung und Wirkung über den thermo-optischen Effekt in vergleichbaren Anordnungen. Dies trifft insbesondere auf die bereits erwähnten nichtlinearen optischen Polymermaterialien zu.
Es sei hier angemerkt, dass die Differenz zwischen den Brechungsindizes der beiden Wellenleiter groß genug gewählt wird, dass ein dem Stand der Technik nach bekanntes Gitter einsetzbar ist. Die grundlegende Gleichung für die Gitterperiode Λ des vorgesehenen Gitters, das durch eine periodische Änderung des Brechungsindexes charakterisiert ist, lautet: Λ *= λc / (n-ι-r.2), wobei λc die gefilterte Wellenlänge ist und ni bzw. n2 den Brechungsindex des stark bzw. schwach führenden Wellenleiters bezeichnen. Aus der Gleichung ist erkennbar, daß die Gitterperiode große Werte annimmt, wenn der Brechzahlunterschied zu klein wird. Dadurch muss das Filter sehr lang gebaut werden (z.B. 100 mm), was unvorteilhaft wird. Eine Vergrößerung des Gitterhubs (Gitteramplitude) erlaubt eine Verkürzung der Gitterlänge, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß die Abstrahlverluste vernachlässigbar bleiben.
Eine Änderung der Dispersion dn/dλ kann während der Herstellung des erfindungsgemäßen Filters durch eine andere Materialauswahl für die Realisierung der Wellenleiter erfolgen. Die Abstimmung des erfindungsgemässen Add/Drop-Filters kann über die Änderung der optischen Parameter einzeln oder in Kombination miteinander erfolgen.
Bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung mit Polymer als einem Wellenleitermaterial, das beispielsweise den Brechungsindex ni = 1 ,49 aufweist, sind die Geometriegrößen etwa um den Faktor 3 größer als bei einer Realisierung in InP (lll-V) mit Brechungsindizes von ca. 3,3, wodurch sich die Herstellungstechnologie einfacher und kostengünstiger gestaltet, da höhere Maßtoleranzen zugelassen sind. Die Anpassung an optische Glasfasern, welche den Anschluß an die vier Ports (EinVAusgänge) herstellen, kann ohne Taperung deutlich dämpfungsärmer (pro Längeneinheit) sein, als bei Add/Drop-Filtern auf InP-Basis. Für die Abstimmbarkeit des erfindungsgemäß in Polymer/Silica hergestellten Filters wird ein Wellenlängenshift über der Temperatur von etwa 3 nm/K erwartet. In den Publikationen zu vergleichbaren Filtern in InP wird eine geringere Empfindlichkeit von 0,37nm/K berichtet.
Die Erfindung soll in folgendem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 die Verschiebung der Filterkurve bei einer gleichmäßig auf den das erfindungsgemäße Add/Drop-Filter aufweisenden Chip wirkenden
Temperaturerhöhung von 10 K; Fig. 2 die Verschiebung der Filterkurve bei Anlegen eines elektrischen Feldes an das erfindungsgemässe Add/Drop-Filter; Fig. 3 den Einfluss der Materialdispersion auf die Filterleistung.
Bekanntlich verfügt ein Add/Drop-Filter über vier Tore (EinVAusgänge), die über zwei Wellenleiter miteinander verbunden sind. Von den beiden über eine definierte Strecke (Koppellänge) parallel zueinander laufenden Wellenleitern ist der eine Wellenleiter aus PMMA mit einem Brechungsindex von ni = 1 ,49 und der andere Wellenleiter aus dotiertem Si02 (Siliziumdioxid) mit einem Brechungsindex n2 = 1 ,454 gebildet. Die beiden Wellenleiter sind durch Silizium in einer Dicke von 4 μm voneinander getrennt, das einen Brechungsindex von 1 ,444 aufweist, und vertikal zueinander angeordnet. Der aus einem Polymer gebildete Wellenleiter hat eine Dicke von 2 μm, der aus dotiertem Si02 4 μm. Der Wellenleiter mit dem größeren Brechungsindex weist ein Gitter auf, da dort bekannte rmassen die Wirkung effizienter ist und die Bauelemente-Länge somit kürzer ausfallen kann. Der Gitterhub beträgt 0,2 μm, die Gitterperiode 64 μm und die Gesamtlänge der Wellenleiter 10.600 μm. Das Gitter bewirkt für eine spezifische optische Wellenlänge einen pro Gitterperiode anzusetzenden Energietransfer. So geht nach einer bestimmten Anzahl von Gitterperioden das Lichtsignal vollständig von dem einen auf den anderen Wellenleiter über. Eine Temperaturänderung beeinflusst die Molekülketten des Polymers, was eine Änderung des örtlichen Brechungsindexes nach sich zieht und somit die Filtercharakteristik beeinflusst.
In Fig. 1 ist die Verschiebung der Filterkurve bei einer gleichmäßigen Temperaturerhöhung des das erfindungsgemäße Add/Drop-Filter aufweisenden Chips von 10 K dargestellt. Das Abstimmverhalten in Abhängigkeit der Temperatur wurde berechnet. Bei einer Temperaturerhöhung von 10 K (von 20 °C auf 30 °C) verändert sich der Brechungsindex des Polymerwellenleiters von 1 ,49 zu 1 ,489. Die Verschiebung der Frequenz zu niedrigeren Wellenlängen bei Temperaturerhöhung ist klar zu erkennen. Die dargestellten Filterverläufe weisen eine sinc-Charakteristik auf. Durch eine Apodosierung des Gitters läßt sich eine gaussförmige Filterkurve realisieren. In diesem Fall nimmt der Gitterhub bei 0 startend über die Länge der Wellenleiterstruktur bis zu einem Maximalwert zu und klingt dann wieder bis 0 ab. Durch die geringe Gittereffektivität erhöht sich die Gesamtlänge der Wellenleiterstruktur um etwa den Faktor 3.
Es ist bekannt, dass Polymermaterialien, die nichtlineare optische Eigenschaften aufweisen, auch einen grossen elektro-optischen Koeffizienten (dn/dE) zeigen. Diese Eigenschaft wird in der erfindungsgemässen Lösung ebenfalls zur Abstimmung des Add/Drop-Filters ausgenutzt. Eine Änderung des Brechungsindex Δn-i des Wellenleiters aus dem Polymermaterial wird durch Erzeugen eines vertikalen elektrischen Feldes E mittels einer auf dem Polymerwellenleiter angeordneten Elektrode für die TM-Mode hervorgerufen und beschrieben mit wobei ni der Brechungsindex des Polymermaterials und r33 der elektro- optische Koeffizient ist. Die Werte von r33 für elektro-optische Polymere bewegen sich in einem Bereich von etwa 10 pm/V bis etwa 50 pm/V. Eine durchgeführte Berechnung für die Änderung des Brechungsindex des Polymermaterials, bei der folgende Werte zugrunde gelegt wurden: ni = 1 ,49; r33 = 20 pm/V und Dicke der Polymerschicht d = 5 μm, ergab bei Anlegen einer Spannung von 100 V an die Polymerschicht gemäss der o.g. Gleichung eine Änderung des Brechungsindexes der Polymerschicht von Δni = -
6,62 .10"4, damit ergibt sich eine Änderung des Brechungsindexes ni von
1 ,49 auf 1 ,48934. In Fig. 2 ist die Verschiebung der Filterkurve in
Abhängigkeit von der angelegten Spannung dargestellt. Bei Anlegen einer
Spannung von 100 V ergibt sich eine Verschiebung des Wellenlängenmaximums bei gleichbleibender Intensität von 1 ,5262 μm zu 1 ,5016 μm, d.h. Δλ ~ 24,6 nm, wenn das Tor 1 als Eingang und das Tor 2' als Ausgang, wie im eingefügten Bild dargestellt, arbeitet. Vorteilhaft hierbei ist - wie bereits erwähnt - die im Vergleich zur thermo-optischen Wirkung große Abstimmgeschwindigkeit, die prinzipiell im ps- bis sub-ps-Bereich liegt und sowohl vom verwendeten Material als auch von der externen Beschaltung abhängig ist. Nichtlineare optische Polymere zeigen nicht nur einen großen elektro- optischen Koeffizienten dn/dE, sondern auch eine große Dispersion dn/dλ, die einen besonders großen Wert in der Nähe der Absorptionswellenlänge annimmt. Im 1 ,3 μm- und 1 ,55 μm-Bereich ändern sich die Dispersionswerte der nichtlinearen optischen Polymere von - 0,02/μm bis - 0,05/μm. Das Ergebnis einer Berechnung, dargestellt in Fig. 3 für drei verschiedene Dispersionswerte, zeigt, dass die Bandbreite des optischen Filters abhängig ist von der Dispersion. Wiederum ist hierbei Tor 1 der Eingang, Tor 2' der Ausgang, wie auch hier im eingefügten Bild dargestellt. Die 3 dB-Bandbreite für das erfindungsgemässe hybride Add/Drop-Filter ist bei einem Dispersionswert von - 0,012/μm für SiO2 und - 0,01/μm für lineare oder passive Polymere gleich 4,1 nm. Diese Bandbreite ändert sich auf 2,5 nm für ein nichtlineares optisches Polymer mit einer Dispersion von - 0,03/μm. Wird die Dispersion auf - 0,05/μm vergrößert, verengt sich die 3dB-Bandbreite weiter auf 1 ,7 nm.

Claims

Patentansprüche
1. Optisches abstimmbares gitterunterstütztes Add/Drop Filter in codirectionaler Funktionsweise, aufweisend eine Struktur eines Richtkoppler- Filters mit mindestens zwei dicht benachbart verlaufenden Wellenleitern mit unterschiedlichen Brechungsindizes, von denen ein Wellenleiter ein Gitter aufweist, dadurch geken nze i ch n et , dass das Material der beiden Wellenleiter aus zwei verschiedenen Materialklassen mit unterschiedlichen optischen Parametern gebildet ist, wobei sich thermischer Brechungsindexkoeffizient dn/dT und/oder elektrooptischer Koeffizient dn/dE und/oder Dispersion dn/dλ der beiden Materialien derart unterscheiden, dass bei Einwirkung mit gleichen technischen Mitteln zur Änderung von Temperatur und/oder elektrischem Feld und/oder Wellenlänge auf die beiden Wellenleiter unterschiedlich starke Wirkungen auftreten und Mittel für die Änderung dieser optischen Parameter vorgesehen sind.
2. Add/Drop-Filter nach Anspruch 1 , dadurch ge ken nze i ch n et , dass ein Wellenleiter aus einem Polymermaterial und der andere Wellenleiter aus Silica gebildet ist.
3. Add/Drop-Filter nach Anspruch 2, dadurch geke n nze i ch n et , dass das Polymermaterial nichtlineare optische Eigenschaften aufweist.
4. Add/Drop-Filter nach Anspruch 1 , dadurch geke n n ze i ch n et , dass der Wellenleiter mit dem größeren Brechungsindexkoeffizient ein Gitter aufweist.
5. Add/Drop-Filter nach Anspruch 1 , dadurch geken n ze ich net, dass die beiden Wellenleiter vertikal zueinander angeordnet sind.
6. Add/Drop-Filter nach Anspruch 1 , dadurch ge ken n zeich n et , dass die beiden Wellenleiter horizontal zueinander angeordnet sind.
7. Add/Drop-Filter nach Anspruch 1 , dadurch g eken n ze ich n et , dass das Mittel für die Änderung des optischen Parameters dn/dT eine Vorrichtung zur Änderung der Temperatur ist, die auf die gesamte Fläche eines das Filter aufweisenden Chips wirkt.
8. Add/Drop-Filter nach Anspruch 7, dadurch g e ken n zeich n et , dass die Vorrichtung zur Änderung der Temperatur der gesamten Fläche identisch ist mit einer Vorrichtung zur Temperaturstabilisierung des das Filter aufweisenden Chips.
9. Add/Drop-Filter nach Anspruch 1, dadurch ge ken nze ic h n et , dass das Mittel für die Änderung des optischen Parameters dn/dT eine Heizelektrode ist, die auf dem Wellenleiter angeordnet ist, dessen Koeffizient eine größere Temperaturabhängigkeit aufweist.
10. Add/Drop-Filter nach Anspruch 1 , dadurch geken n ze ich n et , dass das Mittel für die Änderung des optischen Parameters dn/dE mindestens eine Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in dem Wellenleiter ist, auf dem die Elektrode angeordnet ist.
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