FI103219B - Integroitu optinen polarisaationjakaja - Google Patents

Description

! 103219

Integroitu optinen polarisaationjakaja Tämä keksintö kuuluu integroitujen optisten komponenttien alaan. Keksintö koskee moodisuodatinperiaattee-5 seen perustuvaa integroitua optista polarisaationjakajaa.

Optisia polarisaationjakajia, joita kutsutaan myös TE-TM-moodijakajiksi, käytetään esimerkiksi koherenteissa optisissa detektointijärjestelmissä. Tällaiset järjestelmät ratkasevat sen ongelman, että yleensä tavanomaisen 10 yksimoodilasikuidun kautta tulevan informaatiota kuljettavan valon polarisaatiotila saattaa heilahdella mm. niin kutsutun monipolarointi(PD-)järjestelmän käytön vuoksi. Tämän järjestelmän mukaisesti vastaanotettu valo jaetaan kahdeksi komponentiksi, jotka sitten detektoidaan ja käsi-15 tellään erikseen. Integroitu koherentti optinen detektointijär jestelmä vaatii tietysti integroidussa muodossa olevaa optista polarisaationjakajaa. Tähän asti tunnetut po-larisaationjakajat ovat perustuneet mm. moodisuodatusperi-aatteeseen. Tähän periaatteeseen sisältyy se, että toisi-20 aan lähestyvien aaltojohtimien ollessa kyseessä optisen kentän jakautuminen vuorovaikutusalueella, jolla aaltojoh-: timet yhtyvät, riippuu siitä, missä määrin aaltojohtimet muistuttavat toisiaan.

Jos ne ovat identtisiä, mainitulla vuorovaikutusa-25 lueella syntyy kaksi riippumatonta aaltoa: niin kutsuttu • · parillinen moodi ja niin kutsuttu pariton moodi, joiden • · · ’·’ intensiteetit ovat yhtä suuret. Jos johtimet kuitenkin ovat erilaiset, ts. asymmetriset, esimerkiksi leveydel- « · tään, eivät parillinen ja pariton moodi enää herää inten- • · · V 1 30 siteetiltään yhtä suurina: jos valo tulee etenemisvakiol- # ,···. taan alhaisimman johtimen kautta, parittoman moodin inten- • · ###p; siteetti kasvaa, mutta toisen johtimen kautta tulevan va lon kohdalla nimenomaan parillinen moodi herää voimakkaam-pana. Jos johtimien välinen asymmetria on täsmälleen riit-35 tävän suuri, herää vain yksi moodi. Mitä suurempi johti- 2 103219 mien välinen kulma on, sitä suurempaa asymmetriaa kuitenkin tarvitaan. Asia on täsmälleen päinvastoin aaltojohti-mien kohdalla, jotka kuljettavat valoa pois vuorovaikutus-alueelta ja erkanevat siksi toisistaan. Jos asymmetria on 5 riittävä, parillinen moodi etenee kokonaan siinä ulosmeno-johtimessa, jonka etenemisvakio on suurin, ja pariton moodi pelkästään toisen johtimen kautta.

Niinpä sisääntulevien aaltojohtimien välille aikaansaatu asymmetria aiheuttaa parillisen ja parittoman 10 moodin selektiivisen heräämisen vuorovaikutusalueella; ulosmenojohtimien välinen asymmetria saa aikaan parillisen tai parittoman selektiivisen kytkeytymisen jompaan kumpaan ulosmenevistä aaltojohtimista. Asymmetrian suunta määrää sen, kumpi moodi kuuluu kumpaan putkeen. Polarisaationja-15 kajaan sovellettuna tämä tarkoittaa, että asymmetria va litaan siten, että se tulee merkiltään erilaiseksi TE-po-larisaation kohdalla kuin TM-polarisäätiön kohdalla, joka on oikeissa kulmissa siihen nähden. Tämä voi tapahtua joko tulo- tai menopuolella. Jos menopuoli on varustettu tällä 20 tavalla ja tulopuoli on rakenteeltaan sellainen, että se käsittää sisääntulokanavan, joka voi johtaa kummankin po-larisaation perusmoodissa, tämä polarisaationjakaja toimii seuraavasti. Sisääntuleva aaltojohdin tuo valoa, joka si-sältää selkä TE- että TM-polarisaation. Kumpikin näistä . < r 25 polarisaatioista, jotka ovat mainitussa (parillisessa) • · ... perusmoodissa, kytketään sitten ulosmenopuolelle putken • · · ’·* * kautta, jolla on suurin etenemisvakio kyseisen polarisaa tion suhteen. Tällä tavalla saadaan aikaan polarisaatioi- • · *.·.* den jakautuminen.

• « · V ’ 30 Tällaista moodisuodattimeen perustuvaa polarisaa- .”·. tionjakajaa kuvataan viitteessä [1] (katso luku "Viit- • « · teet"). Tämä tunnettu jakaja muodostetaan LiNb03-substraa-

f I

. tille (leikkauskulma 0°) ja perustuu Ti-diffuusiolla ai- • « kaansaadun tavanomaisen optisen aalto johtimen ja siihen · 35 terävässä kulmassa (Θ) kytketyn polarisaatioherkän optisen 3 103219 aaltojohdinsivuhaaran yhdistelmään. Polarisaatioherkkä optinen aaltojohdin muodostetaan substraattiin/substraa-tille "protoninvaihtomenetelmällä" (PE-menetelmällä). Tällä menetelmällä saavutetaan se tulos, että ekstraordinaa-5 ritaitekerroin ne on kasvanut johtimen kohdalla, kun taas ordinaaritaitekerroin nc on alentunut jonkin verran. Ti-aaltojohtimen ja PE-sivuhaaran leveydet voivat olla keskenään erilaiset, ja PE-sivuhaaran liitos on kartiomainen.

Tämä tunnettu polarisaationjakaja vaatii kuitenkin 10 hyvin täsmällistä geometriaa ja on siten melko työläs tuotantoteknisesti. Polarisaatioiden hyvä jakaminen vaatii lisäksi hyvin pientä kulmaa (Θ £ 0,01 rad vaimennuksen ollessa korkeintaan 20,0 dB), mistä on seurauksena, että tarvittava pituus on suhteellisen suuri.

15 Tämän keksinnön päämääränä on tarjota käyttöön in tegroitu optinen polarisaationjakaja, joka myös perustuu moodisuodatinperiaatteeseen ja jolla ei ole edellä mainittuja epäkohtia. Optiselle komponentille tulevan valosignaalin jakamiseksi kahdeksi ulosmeneväksi valosignaaliksi, 20 joiden polarisaatiosuunnat ovat keskenään kohtisuorassa, joka komponentti käsittää substraatille tai substraattiin : muodostetun optisen aaltojohdinrakenteen, joka sisältää olennaisilta osiltaan polarisaation suhteen epäherkän en-['i', simaisen kanavatyyppisen optisen aaltojohtimen ja vähin- 25 tään yhden polarisaatioherkän toisen kanavatyypisen opti- • · ... sen aaltojohtimen, joka liittyy ensimmäiseen optiseen aal- • · · ’·* ' tojohtimeen sivuhaarana terävässä kulmassa, on keksinnön mukaisesti tunnusmerkillistä, että optinen aaltojohdinra- • * ·,·,· kenne koostuu poolistettavissa olevasta läpinäkyvästä ma- • · · V · 30 teriaalista, joka on poolittomassa tilassa ensimmäisessä .···, optisessa aaltojohtimessa ja poolisessa tilassa toisessa • · optisessa aaltojohtimessa ainakin siinä osassa, joka liittyy suoraan ensimmäiseen optiseen aaltojohtimeen.

Keksintö perustuu siihen ominaisuuteen, että viit-35 teistä [2] ja [3] tunnettua tyyppiä oleva poolistettavissa 4 103219 oleva läpinäkyvä materiaali on polarisaatioherkkää pooli-sessa tilassa eikä ole, ainakaan käytännöllisesti katsoen, polarisaatioherkkää poolittomassa tilassa. Kuten on tun-nettua viitteestä [3], tätä tunnettua tyyppiä oleva poly-5 meeri voidaan myös muuttaa käsittelemällä virittävällä säteilyllä (esimerkiksi UV-valolla) kolmanteen tilaan, jossa materiaali on menettänyt elektro-optisen aktiivisuutensa. Tähän näyttää kuitenkin liittyvän myös poolistetta-vuuden menetys. Lisäksi tässä viitteessä mainitaan, että 10 säteilytys aiheuttaa myös taitekertoimen laskun säteilyt-tämättömään materiaaliin verrattuna, mikä tarkoittaa, että säteilytyksellä aikaansaatu materiaali voi toimia - sillä edellytyksellä, että se mitoitetaan sellaisenaan - optisena aaltojohtimena sekä poolisessa että poolittomassa ti-15 lassa. Keksinnöllä on edullisesti myös se tunnusmerkilli nen piirre, että mainittu aaltojohdinrakenne muodostetaan ohueen kerrokseen poolistettavissa olevaa lasimaista polymeeriä selektiivisellä säteilytyksellä.

Keksinnön mukaisella optisella komponentilla on 20 seuraavat edut: komponentti on laajakaistainen, ts. hyvä polari- : saationjakamisvaikutus ulottuu hyvin laajan aallonpituus- alueen yli polarisaation jakautuminen on erittäin hyvä, ellei I i 25 parempi verrattuna tunnettuihin TE-TM-moodijakajiin • · ... valmistus on yksinkertaista ja toleranssit suhteel- • · · ’·* * lisen suuria komponentin pituus voi olla pienempi kuin tähän ·.·.· asti tunnettujen komponenttien, mikä on suuri etu muihin • · v * 30 komponentteihin integroimisen kannalta « • · · · • · • · · m i ' , 103219 5 komponentti mahdollistaa asymmetrian korjaamisen hyödyntämällä sivuhaaran polarisoidun materiaalin elektro-optista aktiivisuutta.

Viitteet 5 [1] Nobuo Koto, Gar Lam Yip, A TE-TM mode splitter in LiNb03 by proton Exhange and Ti diffusion, J. Lightwave Technology 7, nro 10 (lokakuu 1989) 1567 - 1574 [2] EP-hakemusjulkaisu 0 290 061-A, jonka otsikko on Linear addition polymer with hyperpolarisable side 10 groups [3] EP-hakemusjulkaisu 0 344 857-A, jonka otsikko on Electro-optical component and method for making same

Piirustuksen lyhyt kuvaus Tätä keksintöä selitetään tarkemmin kuvaamalla suo-15 ritusmuotoesimerkkiä, jossa yhteydessä viitataan piirus tukseen, jossa kuvio 1 on kaaviokuva optisesta aaltojohdinraken-teesta keksinnön mukaisessa polarisaationjakajassa ylhäältäpäin katsottuna ja 20 kuvio 2 on viivaa II pitkin piirretty kaaviomainen poikkileikkauskuva kuvion 1 mukaisesta polarisaationjakajasta.

Suoritusmuotoesimerkin kuvaus

Viitteessä [3] mainitaan, että läpinäkyvälle poo-25 listettavissa olevalle materiaalille, kuten poolistetta- • « ... vissa olevalla lasimaiselle polymeerille, joka on mm.

• · · * viitteessä [2] kuvattua tyyppiä, tapahtuu UV-valolla sä-teilytettäessä taitekertoimen pysyvä aleneminen suhteessa « · « poolittomassa tilassa olevaan poolistettavissa olevaan > · · V : 30 polymeeriin. Infrapunasäteilyn (noin 1300 nm) ollessa ky- .··*. seessä tämä taitekertoimen aleneminen on suuruusluokkaa • · • · · n = 0,03. Tällaisen säteilytyksen tuloksena polymeeri joutuu tilaan, jossa se on menettänyt poolistettavuutensa, : ts. jossa siitä voidaan tehdä elektro-optisesti aktiivinen 35 poolistamalla. Näiden kahden ilmiön on havaittu olevan 6 103219 identtisiä kummankin polarisaation kohdalla. Poolistetta-vissa oleva lasimainen polymeeri voi olla kahdessa tilassa, nimittäin poolisessa ja poolittomassa tilassa, joista on havaittu, että pooliton tila ei ole käytännöllisesti 5 katsoen ollenkaan herkkä polarisaatiolle ja poolinen tila on hyvin polarisaatioherkkä. Keksinnön mukainen optinen polarisaationjakaja perustuu tähän ominaisuuteen, nimittäin kykyyn omaksua nämä kolme tilaa (ts. poolistumaton, jossa taitekerroin on alentunut, poolistettavissa ole-10 va/pooliton ja poolistettavissa oleva/poolinen), joista vain yksi on polarisaatioherkkä (poolistettavissa oleva/poolinen tila).

Edellä mainittua suuruusluokaa oleva taitekertoimen muutos, joka polymeerille tapahtuu säteilytyksessä, mer-15 kitsee, että liuskatyyppiset optiset aaltojohtimet voidaan varustaa ohuella kerroksella tällaista lasimaista poolistettavissa olevaa polymeeriä selektiivsesti säteilyttämäl-lä. Tämä merkitsee, että keksinnön mukainen polarisaationjakaja voidaan valmistaa kokonaan viitteessä [3] kuvatulla 20 menetelmällä. Siksi seuraavassa esitettävä rakenteen ja sen toiminnan kuvaus riittänee.

Kuvio 1 ja 2 esittävät kaaviomaisesti keksinnön mukaista polarisaationjakajaa. Kuviossa 1 korostetaan komponentin geomteriaa, kun taas kuvio 2 esittää kuvion 1 25 mukaisen komponentin poikkileikkausta viivaa II pitkin.

... Substraatilla 1 sijaitsevat päällekkäisinä kerroksina le- • · · *·1 1 vytyyppinen ensimmäinen elektrodi 2, ensimmäinen puskuri- kerros 3, lasimaisesta poolistettavissa olevasta polymee- • f \V ristä koostuva kerros 4 ja toinen puskurikerros 5. Kerros 1 V ’ 30 4 käsittää UV-valolla säteilytetyn alueen 6 ja säteilyttä- mättömän alueen 7 , joka on muodoltaan sellainen, että • · ,· syntyy "harjannetyyppinen" Y:n muotoinen optinen aaltojoh- ! i dinrakenne. Mainitussa optisessa aaltojohdinrakenteessa 8 i ,', ! : on aaltojohtimen tulo-osa 8.1 ja aaltojohtimen meno-osat r 35 8.2 ja 8.3. Tässä suoritusmuotoesimerkissä malli valitaan 7 103219 siten, että kumpikin menoaaltojohdinosa erkanee kahden vastakkaisiin suuntiin kääntyvän, toisiinsa sujuvasti liittyvän mutkan avulla, joiden säde on R ja kulma Θ aal-tojohtimen osaan 8.1 nähden, ja jatkuu sitten viimeksi 5 mainitun osan suuntaisena etäisyydellä D. Aaltojohdinra-kenteen 8 aluetta haarautumisen alkamiskohdasta kohtaan, jossa aaltojohtimen meno-osa 8.2 ja 8.3 jälleen kulkevat aaltojohtimen tulo-osan 8.1 suuntaisina, kutsutaan haarau-tumisvyöhykkeeksi 9. Mainitun haarautumisvyöhykkeen pituus 10 L = 2RsinO. Kulma Θ on tehollinen kulma, jossa aaltojohtimen osat 8.2 ja 8.3 haarautuvat haarautumisvyöhykkeellä 9. Kaikilla aaltojohtimen osilla on suurin piirtein sama leveys d. Kohtaan, jossa aaltojohtimen osa 8.1 alkaa haarautua aaltojohtimen osiksi 8.2 ja 8.3 sijoitetaan toinen 15 elektrodi 10 aaltojohtimen osan 8.3 (ainakin sen alkupään) yläpuolelle toiselle puskurikerrokselle 5. Polymeerimateriaali muutetaan ainakin sillä aaltojohtimen osan 8.3 alueella, joka on elektrodien 2 ja 10 välissä, pooliseen tilaan (esimerkiksi kuumentamalla polymeerimateriaali lasiu-20 tumislämpötilan yläpuolelle, suuntaamalla elektrodien 2 ja : 10 välille jännite, polarisaatiojännite, joka kehittää elektrodien 2 ja 10 välissä olevaan materiaaliin voimak-kaan sähkökentän, ja jäädyttämällä sitten pitäen yllä säh-

(III

kökenttä). Materiaali on aaltojohtimen meno-osan 8.3 tällä 25 alueella siksi kahtaistaittavaa, mistä on seurauksena, • t ... että taitekerroin riippuu valon polarisaatiosuunnasta.

• · · • Poolistamisen seurauksena taitekerroin TM-polarisaation suhteen kasvaa poolittomaan materiaaliin verrattuna, kun f · 9 *·*·* taas taitekerroin TE-polarisaation suhteen pienenee. Nämä • « · V ' 30 taitekertoimen muutokset vaikuttavat suoraan etenemisvaki- oihin optisessa aaltojohdinrakenteessa 8. Poolisella aal- t · tojohtimen osalla 8.3 on suurin etenemisvakio aaltojohti- • men tulo-osaa 8.1 pitkin tulevan valosignaalin TM-kompo- · · " nentin suhteen, kun taas poolittomala aaltojohtimen osalla '·" 35 8.2 on suurin etenemisvakio TE-komponentin suhteen. Koros- 8 103219 tettakoon, että vain se alue aaltojohtimen osasta 8.3, joka ulottuu pisteeseen, jossa aaltojohtimen osat 8.2 ja 8.2 tulee optisesti kytkeä irti toisistaan, täytyy poolis-taa.

5 Käytetyn polymeerin taitekerroin on 1,56 säteilyt- tämättömässä muodossa infrapunavalon (1,3 pm) suhteen valon kummankin polarisaation ollessa kyseessä, 1,590 sätei-lyttämättömässä poolittomassa muodossa ja poolisessa muodossa 1,587 TE-polarisaation ja 1,597 TM-polarisaation 10 ollessa kyseessä.

Mainitun polymeerin pohjalta valmistetussa polari-saationjakajassa, jonka substraattina on lasi ja jossa on passiiviset polyuretaanipuskurikerrokset, joiden kummankin paksuus on 2,5 pm ja taitekerroin 1,523, kultaelektrodit, 15 2,3 pm paksu polymeerikerros (= 0,3 pm säteilytettyä ja 2,0 pm säteilyttämätöntä materiaalia) ja aaltojohdinraken-ne, jossa R = 40,0 mm, d = 7 pm ja D = 50,0 pm on saavutettu polarisaation jakamissuhde >20 dB. Tässä tapauksessa L on suuruusluokkaa 1,4 mm ja Θ « 0,02 rad, samalla kun 20 aaltojohtimen meno-osien välinen etäisyys 2D = 0,1 mm.

Odotetaan, että R:ää voidaan vielä pienentää (noin puoleen), mistä on tuloksena, että varsinainen jakajakompo-nentti vie hyvin vähän tilaa, mikä tekee integroinnin muihin optisiin komponentteihin houkuttelevaksi.

25 Koska jakamisvaikutus ei perustu interferometriseen * « ... vaikutukseen, komponentti on periaatteessa laajakaistat- • · · • · · • nen.

Edellä kuvattua polarisaationjakajaa pidetään ensi-sijaisesti passiivisena komponenttina, ts. taitekertoimeen • · · V · 30 ei aaltojohdinrakenteessa vaikuteta millään tavoin, kuten .···. esimerkiksi elektro-optisella vaikutuksella, käytettäessä komponenttia. Tällaisessa passiivisessa komponentissa e-- lektrodit 2 ja 10 ovat siksi itse asiassa tarpeettomat, ja ne voidaan poistaa komponentin valmistusprosessin aikana, '·" 35 kun haluttu polymeerialue on poolistettu. Koska polymeeri 103219 g on elektro-optista myös poolisessa tilassa ja koska suunnattaessa sähköjännite polarisointijännitteen merkin mukaisesti taitekertoimen suurentumista tai pienentymistä TM- ja TE-polarisäätiöiden suhteen voidaan voimistaa vielä 5 jonkin verran, on edullista suunnitella komponentti aktiiviseksi komponentiksi kytkemällä elektrodit jännitelähteeseen, jota voidaan säätää. Tämä tarjoaa mahdollisuuden korjata asymmetriassa mahdollisesti vielä ilmenevät viat elektro-optisen vaikutuksen avulla.

f i < • · • i* • · · • · ·

• I

* · r * · · • · • Il • I · • · < « « · • · • · • · ·

Claims (3)

10 103219

1. Optinen komponentti tulevan valosignaalin jakamiseksi kahdeksi ulosmeneväksi valosignaaliksi, joiden po- 5 larisaatiosuunnat ovat keskenään kohtisuorassa, joka komponentti käsittää substraatille tai substraattiin muodostetun optisen aaltojohdinrakenteen, joka sisältää olennaisilta osiltaan polarisaation suhteen epäherkän ensimmäisen kanavatyyppisen optisen aaltojohtimen ja vähintään yhden 10 polarisaatioherkän toisen kanavatyypisen optisen aaltojoh-timen, joka liittyy ensimmäiseen optiseen aaltojohtimeen sivuhaarana terävässä kulmassa, tunnettu siitä, että optinen aaltojohdinrakenne koostuu poolistettavissa olevasta läpinäkyvästä materiaalista, joka on poolittomas- 15 sa tilassa ensimmäisessä optisessa aaltojohtimessa ja poo- lisessa tilassa toisessa optisessa aaltojohtimessa ainakin siinä osassa, joka liittyy suoraan ensimmäiseen optiseen aaltojohtimeen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen aalto-20 johdin, tunnettu siitä, että materiaali on poolistettavissa olevaa lasimaista polymeeriä, jonka poolis-tettavuus on tuhottavissa virittävällä säteilyllä, ja sii- 1 tä, että mainittu optinen aaltojohdinrakenne muodostetaan ohueen kerrokseen mainittua poolistettavissa olevaa lasi-25 maista polymeeriä käsittelemällä selektiivisesti virittä- * * väliä säteilyllä. • · · V

· 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen optinen komponentti, tunnettu siitä, että komponentti kä- :V; sittää lisäksi osittain vuorovaikutuksessa olevat ensim- _Z · r 30 mäiset elektrodit, joiden välille voidaan synnyttää jänni-te-eron avulla sähkökenttä, joka vaikuttaa toisen optisen * * *···] aaltojohtimen pooliseen materiaaliin ainakin siinä osassa, joka liittyy suoraan ensimmäisen optisen aaltojohtimen poolittomaan materiaaliin. t a « « 11 103219