FI90597B - Mach-Zehnder-interferometri - Google Patents

Description

1 90597

Mach-Zehnder-interferometri

Keksinnön kohteena on Mach-Zehnder-interferometri, joka käsittää ensimmäisen symmetrisen optisen Y-haaroitti-5 men sisääntulovalokanavan jakamiseksi kahteen erilliseen yksimuotoiseen valokanavaan, ja toisen symmetrisen optisen Y-haaroittimen mainittujen kahden yksimuotoisen valokana-van yhdistämiseksi monimuotoiseksi valokanavaksi, kolmannen optisen Y-haaroittimen mainitun monimuotoisen valo-10 kanavan jakamiseksi kahdeksi yksimuotoiseksi ulostulovalo-kanavaksi.

Artikkelissa "Silica-Based Single-Mode Waveguides on Silicon and their Application to Guided-Wave Optical Interferometers", Norio Takato et al, Journal of Lightwave 15 Technology, Vol. 6, NO. 6, June 1988, p. 1003-1009, on kuvattu erilaisia suuntakytkimillä toteutettuja, symmetrisiä ja epäsymmetrisiä Mach-Zehnder-interferometrejä. Artikkelissa esitetyssä symmetrisessä interferometrissä on kaksi suuntakytkintä liitetty yhteen kahdella samanpitui-20 sella valoaaltojohdehaaralla. Sisään tuleva valo jaetaan ensimmäisellä suuntakytkimellä kahdeksi säteeksi näihin haaroihin ja säteet yhdistetään uudelleen toisella suunta-kytkimellä. Se kumpaan ulostulohaaraan toisessa suuntakyt-kimessä valo kytkeytyy, riippuu siitä interferoivatko toi-25 sessa suuntakytkimessä yhdistettävät eri haarojen valonsäteet samanvaiheisina vai erivaiheisina. Artikkelin mukainen interferometri sisältää toisessa haarassa eräänlaisen säädettävän vaiheensiirtimen, jonka avulla eri haarojen välistä vaihe-eroa voidaan säätää ja siten vaihtaa ulostu-30 lohaaraa, johon valo kytketään. Tällaista interferometriä voidaan käyttää optisena kytkimenä tai modulaattorina.

Epäsymmetrisessä Mach-Zehnder-interferometrissä kaksi suuntakytkintä on yhdistetty kahdella eripituisella aaltojohdehaaralla. Edellä mainitussa artikkelissa täl-35 laista epäsymmetristä interferometriä on käytetty FDM-mul- 2 90597 tiplekserinä kahden optisen signaalin välillä, joiden taajuuksien ero on gigahertsien luokkaa.

Artikkelista "Optical-Waveguide hybrid coupler", Masayuki Izutsu et al, Optics Letters, Voi. 7, NO. 11, 5 November 1982, p. 549-551, puolestaan tunnetaan integroidun optiikan Mach-Zehnder-interferometri, joka on toteutettu yhdistämällä tavanomainen symmetrinen Mach-Zehnder-interferometri epäsymmetriseen Y-haaroittimeen. Interfero-metrin sisään tuleva valo jaetaan ensimmäisellä symmetri-10 sellä Y-haaroittimella kahdeksi säteeksi eri haaroihin, jotka säteet sitten yhdistetään uudelleen toisella symmetrisellä Y-haaroittimella. Yhdistetty valoteho kytkeytyy lähes kokonaisuudessaan jompaankumpaan epäsymmetrisen Y-haaroittimen ulostulohaaraan riippuen siitä interferoivat-15 ko toisessa symmetrisessä Y-haaroittimessa yhdistettävät valonsäteet samanvaiheisina vai vastakkaisvaiheisina. Myös tässä ratkaisussa interferometrin haarat on varustettu säädettävillä vaiheensiirtäjillä, joilla voidaan määrätä kumpaan epäsymmetrisen Y-haaroittimen ulostulohaaraan valo 20 kytkeytyy. Siten myös tämä symmetrinen interferometri toimii optisena valokytkimenä.

EP-hakemusjulkaisu 366 302 esittää aallonpituuksia erottavan Mach-Zehnder-interferometrin, jolle on ominaista, että erilliset valokanavat kaartuvat kytkinalueiden 25 välillä samaan suuntaan tarkan valokanavien pituuseron aikaansaamiseksi. Toisin sanoen ratkaisu kohdistuu lähinnä valokanavien reittien geometriaan. Aallonpituuksien erottamisen suorittava toinen kytkinalue erillisten valokanavien päissä on kaikissa tapauksissa esitetty toteutetta-30 vaksi optisella suuntakytkimellä (lähekkäiset yhdensuuntaiset valokanavat).

Keksinnön päämääränä on uudentyyppinen Mach-Zehnder-interferometri, jolla on uusia sovellutusalueita.

Tämä saavutetaan johdannossa esitetyn tyyppisellä 35 Mach-Zehnder-interferometrillä, jolle on keksinnön mukai- 3 90597 sesti tunnusomaista, että kolmas Y-haaroitin on adiabaat-tinen epäsymmetrinen Y-haaroitin, ja että mainittujen erillisten yksimuotoisten valokanavien läpi kulkeneet ja mainitussa monimuotoisessa valokanavassa yhdistettävät 5 valon aaltomuodot ovat keskenään oleellisesti samanvaihei-set valon yhdellä valitulla aallonpituudella tai polarisaatiolla ja oleellisesti vastakkaisvaiheiset valon toisella valitulla aallonpituudella tai polarisaatiolla.

Keksinnön perusajatuksena on, että Mach-Zehnder-10 interferometriä voidaan käyttää valon aallonpituuksien tai polarisaatioiden erottamiseen eli aallonpituus demulti-plekserinä, jos interferometrin symmetrisiä haaroittimia yhdistävät valokanavat mitoitetaan siten, että valituista erotettavista aallonpituuksista toisella aaltomuodot in-15 terferoivat samanvaiheisina ja toisella aallonpituudella vastakkaisvaiheisina, jolloin ne saadaan erotettua eri ulostulokanaviin. Toisin sanoen interferometri on toisella aallonpituudella tai polarisaatiolla symmetrinen ja toisella epäsymmetrinen.

20 Keksinnön kohteena on myös Mach-Zehnder-interfero- metri, joka käsittää ensimmäisen optisen Y-haaroittimen kahden yksimuotoisen sisääntulovalokanavan yhdistämiseksi yhdeksi monimuotoiseksi valokanavaksi, toisen symmetrisen optisen Y-haaroittimen mainitun monimuotoisen valokanavan 25 jakamiseksi kahdeksi erilliseksi yksimuotoiseksi valokanavaksi, kolmannen symmetrisen optisen Y-haaroittimen mainittujen kahden erillisen yksimuotoisen valokanavan yhdistämiseksi yhdeksi yksimuotoiseksi ulostulovalokanavaksi. Tälle Mach-Zehnder-interferometrille on keksinnön mukai-30 sesti tunnusomaista, että mainittu ensimmäinen optinen Y-haaroitin on adiabaattinen epäsymmetrinen Y-haaroitin, ja että yksimuotoisista sisääntulovalokanavista mainittuun monimuotoiseen valokanavaan syötettävät valon eri aallonpituudet tai polarisaatiot kytkeytyvät monimuotoisen valo-35 kanavan eri aaltomuotoihin, ja että mainittujen kahden 4 90597 erillisen yksimuotoisen valokanavan kautta kulkeneet valon eri aallonpituudet tai polarisaatiot ovat samanvaiheiset kytkeytyen yksimuotoisessa ulostulovalokanavassa etenevään muotoon. Tämä toinen Mach-Zehnder-interferometri perustuu 5 siihen, että käännettäessä demultiplekserinä toimivassa keksinnön mukaisessa interferometrissä valon kulkusuunta vastakkaiseksi interferometriä voidaan käyttää valon eri aallonpituuksien tai polarisaatioiden yhdistämiseen samaan valokanavaan eli aallonpituus- tai polarisaatiomultiplek-10 serinä.

Keksintöä selitetään nyt yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 havainnollistaa erästä keksinnön mukaista Mach-Zehnder-interferometriä, jota voidaan käyttää sekä 15 multiplekserinä että demultiplekserinä, ja kuvio 2 havainnollistaa toista keksinnön mukaista Mach-Zehnder-interferometriä, jota voidaan käyttää molempiin suuntiin joko yhdistämään tai erottamaan valon eri aallonpituuksia tai polarisaatioita.

20 Keksinnön mukainen Mach-Zehnder-interferometri on ensisijaisesti tarkoitettu toteutettavaksi integroidun optiikan valoaaltojohderakenteiden avulla. Tällöin Mach-Zehnder-interferometrissä valo jaetaan ensin säteenjakalla kahteen osaan, jotka kulkevat eri reittejä toiseen säteen 25 jakajaan, jossa ne interferoivat keskenään. Integroidun optiikan toteutuksessa säteenjakajat ovat aaltojohderaken-teita ja säteenjakajien välillä valo etenee erillisissä valokanavissa.

Seuraavassa selvitetään muutamien integroidun op-30 tiikan termien merkityksiä. Valokanava on dielektrisessä väliaineessa, kuten lasissa, oleva korkeamman taitekertoi-men alue, jota pitkin valo etenee tiettyyn suuntaan, joka on scima kuin valokanavan pituusakselin suunta. Valokanavan pituusakselia vastaan kohtisuorassa tasossa valokanavan 35 rakennetta kuvaa taitekerroinjakauma, joka muuttuu vain

5 90 W

vähitellen tai (ideaalisessa valokanavassa) ei ollenkaan pituusakselin suunnassa. Ideaalisessa valokanavassa valo etenee annetulla aallonpituudella ja polarisaatiolla aalto johdemuodoissa, joita on rajoitettu diskreetti määrä.

5 Aaltojohdemuotoa kuvaa aaltojohdemuodon intensiteettijakauma valokanavan pituusakselia vastaan kohtisuorassa tasossa sekä etenemiskerroin, joka kertoo aaltojohdemuodon vaiheen oskilloivan muutoksen valokanavan pituusakselin suunnassa. Mikäli valokanavan poikittainen taitekerroinjalo kauma muuttuu riittävän hitaasti valokanavan pituusakselin suunnassa, valon eteneminen tapahtuu paikallisen taitekerroin jakauman antamissa aaltomuodoissa, ts. valokanava toteuttaa adiabaattisuuden vaatimuksen.

Kuviossa 1 esitettyä keksinnön mukaista interfero-15 metriä kuvataan ensin aallonpituus- tai polarisaatiodemul-tiplekserinä. Interferometriin tuleva valo syötetään si-sääntuloportista A yksimuotoiseen sisääntulovalokanavaan 1, jossa siis etenee vain optinen perusmuoto. Sisääntulo-valokanavasta 1 valo jaetaan symmetrisellä säteenjakajalla 20 tai Y-haaroittimella 5 puoliksi kahteen yksimuotoiseen valokanavaan 2a ja 2b. Nämä yksimuotoiset valokanavat 2a ja 2b yhdistetään toisella symmetrisellä Y-haaroittimella 6 kaksimuotoiseen valokanavaan 3. Kaksimuotoinen valokanava 3 puolestaan jaetaan epäsymmetrisellä Y-haaroittimella 25 erilaisiin yksimuotoisiin ulostulovalokanaviin 4a ja 4b. Kaksimuotoinen valokanava 3 voidaan tehdä mielivaltaisen lyhyeksi.

Kuten tunnettua, valon kytkeytyminen ulostulovalokanaviin 4a ja 4b riippuu valokanavista 2a ja 2b valokana-30 vaan 3 yhdistettävien aaltomuotojen välisestä vaihe-erosta. Vaikka kanavat 4a ja 4b ovat yksimuotoisia ja niissä siten on vain yksi aaltomuoto, ne kuitenkin yhdessä kanavan 3 kanssa muodostavat koko pituudeltaan kaksimuotoisen rakenteen. Tämän rakenteen sisääntulossa on kanavan 3 kak-35 si eri muotoa ja rakenteen uloistuloissa on kanavien 4a ja 6 90597 4b erilliset kaksi muotoa. Siirtymävaiheessa kanavien 4a 4b alkaessa etääntyä toisistaan, rakenteen perusmuoto kehittyy vähitellen kohti sitä kanavien 4a ja 4b muotoa, jonka etenemiskerroin on korkeampi ja rakenteen toinen 5 muoto sen sijaan kohti kanavien 4a ja 4b sitä muotoa, jonka tenemiskerroin pienempi. Missä tahansa rakenteen poik-kileikkauskohdassa saadaan siten ratkaisuna kaksi muotoa: perusmuoto ja seuraava muoto. Adiabaattisuus merkitsee sitä, että teho säilyy kanavassa oleellisesti yhdessä muo-10 dossa. Jos valokanavaan 3 valokanavista 2a ja 2b yhdistettävät aaltomuodot ovat samassa vaiheessa, valoa (tehoa) siirtyy valokanavassa 3 vain symmetriseen perusmuotoon. Tällöin, epäsymmetriseen Y-haaroittimen 7 ollessa adia-baattinen, ulostulokanavien 4a ja 4b etääntyessään toisis-15 taan tämä valon symmetrinen perusmuoto keskittyy siihen kanavaan, jossa valon etenemiskerroin on korkeampi. Vastaavasti, mikäli valokanavaan 3 valokanavista 2a ja 2b yhdistettävät aaltomuodot ovat vastakkaisvaiheiset, valoa siirtyy valokanavassa 3 vain toiseen, antisymmetriseen 20 muotoon. Epäsymmetrisessä, adiabaattisessa Y-haaroittimes- sa 7 tämä antisymmetrinen aaltomuoto keskittyy puolestaan siihen ulostulovalokanavaan 4a tai 4b, jossa valon etenemiskerroin on pienempi. Mikäli valokanavaan 3 yhdistettävien aaltomuotojen välinen vaihe-ero on muu kuin vastak-25 kainen vaihe tai sama vaihe, valoa siirtyy valokanavassa 3 sekä symmetriseen että epäsymmetriseen aaltomuotoon ja tämän seurauksena molempiin ulostulovalokanaviin 4a ja 4b.

Esillä olevassa keksinnössä valokanavat 2a ja 2b on mitoitettu keskenään erilaisiksi siten, että valon yhdellä 30 aallonpituudella tai polarisaatiolla näistä valokanavista valokanavaan 3 yhdistettävät aaltomuodot interferoivat samanvaiheisina ja toisella valonaallonpituudella tai polarisaatiolla vastakkaisvaiheisina, jolloin toinen aallonpituus tai polarisaatio kytkeytyy ulostulovalokanavaan 4a 35 ja toinen ulostulovalokanavaan 4b. Toisin sanoen keksinnön 7 9Π597 mukainen interferometri erottaa aallonpituudet tai polarisaatiot toisistaan, jolloin sitä voidaan käyttää aallonpituus- tai polarisaatiodemultiplekserinä. Erotettavat polarisaatiot ovat edullisesti valokanavissa esiintyvät TE- ja 5 TM-polarisaatiot. Tällöin valokanavista 2a ja 2b on ainakin toisen oltava riittävän kahtaistaittava, jotta eri polarisaatioilla saavutetaan erottamiseen vaadittavan vaihe-erot. Kun kuvion 1 mukaisessa interferometrissä käännetään kulkusuunta vastakkaiseksi, interferometrin toiminta 10 ei muutu muulla tavoin. Siten samaa komponenttia voidaan käyttää myös vastakkaiseen suuntaan aallonpituuksien tai polarisaatioiden yhdistämiseksi samaan valokanavaan, jolloin interferometri toimii aallonpituus- tai polarisaatio-multiplekserinä.

15 Kun kuvion 1 mukaista interferometriä käytetään vastakkaiseen suuntaan, portteihin B ja C syötetään keskenään erilaisten valoon aallonpituuksien tai polarisaatioiden aaltomuodot. Yksimuotoisia valokanavia 4a ja 4b pitkin etenevät valon perusmuodot yhdistetään epäsymmetrisellä Y-20 haaroittimella 7 samaan valokanavaan 3, jolloin eri valo-kanavista 4a ja 4b tulevat aallonpituudet tai polarisaatiot kytkeytyvät valokanavan 3 eri aaltomuotoihin. Valoka-navasta 3 molemmat aaltomuodot jaetaan symmetrisellä Y-haaroittimellä 6 kahteen yksimuotoiseen valokanavaan 2a ja 25 2b, jotka sitten yhdistetään toisella symmetrisellä Y-haa- roittimella 5 yksimuotoiseen valokanavaan 1. Eri aallonpituuksien tai polarisaatioiden aaltomuodot ovat valokana-vassa 3 vastakkaisvaiheiset ja valokanavat 2a ja 2b mitoitetaan siten, että molempien polarisaatioiden tai aallon-30 pituuksien aaltomuodot ovat valokanavaan 1 yhdistettäessä samanvaiheiset, jolloin ne molemmat kytkeytyvät tässä kanavassa etenevään perusmuotoon.

Kuviossa 2 on esitetty toinen keksinnön mukainen interferometri, joka on muutoin samanlainen kuin kuvion 1 35 interferometri, mutta nyt sisääntulovalokanava 1 on kaksi- 8 9 Γ) 5 9 7 muotoinen valokanava, johon yhdistetään adiabaattisella epäsymmetrisellä Y-haaroittimella 8 kaksi erilaista yksi-muotoista valokanavaa 9a ja 9b. Nyt interferometrillä on kaksi sisääntuloa D ja E ja kaksi ulostuloa B ja C. Kun 5 valoa kytketään interferometriin yhdestä sisääntulosta D tai E, interferometri toimii aallonpituuden tai polarisaation erottimena samalla tavoin kuin kuvion 1 tapauksessa. Kun sisääntulokanavaa D tai E vaihdetaan, vaihtuvat vastaavasti myös ulostulokanaviin B ja C kytkeytyvät aallon-10 pituudet tai polarisaatiot keskenään. Kun molempiin sisääntuloihin D ja E syötetään keskenään erilaiset polarisaatiot tai aallonpituudet, interferometri yhdistää nämä keskenään valokanavassa 3 siten, että sama summasignaali kytkeytyy kumpaankin ulostulovalokanavaan 4a ja 4b. Kuvion 15 2 interferometri toimii täysin samalla tavoin jos valon kulkusuunta käännetään ja portteja B ja C käytetään sisääntuloina. Täten kuvion 2 mukaista interferometriä voidaan käyttää molempiin suuntiin aallonpituuksien tai polarisaatioiden erottamiseen tai yhdistämiseen.

20 Keksinnön mukainen interferometri toteutetaan edul lisesti integroidun optiikan komponenttina dielektriselle substraatille, kuten lasisubstraatille, johon tarvittavat valokanavat ja haaroittimet muodostetaan ioninvaihtomene-telmällä, joka on alalla hyvin tunnettu.

25 Kuviot ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä ja yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (10)

1. Mach-Zehnder-interferometri, joka käsittää ensimmäisen symmetrisen optisen Y-haaroittimen (5) 5 sisääntulovalokanavan (1) jakamiseksi kahteen erilliseen yksimuotoiseen valokanavaan (2a, 2b), ja toisen symmetrisen optisen Y-haaroittimen (6) mainittujen kahden yksimuotoisen valokanavan (2a, 2b) yhdistämiseksi monimuotoiseksi valokanavaksi (3), 10 kolmannen optisen Y-haaroittimen (7) mainitun moni muotoisen valokanavan (3) jakamiseksi kahdeksi yksimuotoi-seksi ulostulovalokanavaksi (4a, 4b), tunnettu siitä, että kolmas Y-haaroitin on adiabaattinen epäsymmetrinen Y-haaroitin, ja että mainit-15 tujen erillisten yksimuotoisten valokanavien (2a, 2b) läpi kulkeneet ja mainitussa monimuotoisessa valokanavassa (3) yhdistettävät valon aaltomuodot ovat keskenään oleellisesti samanvaiheiset valon yhdellä valitulla aallonpituudella tai polarisaatiolla ja oleellisesti vastakkaisvaiheiset 20 valon toisella valitulla aallonpituudella tai polarisaatiolla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen interferometri, tunnettu siitä, että sisääntulovalokanava (1) on yksimuotoinen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen interferometri, tunnettu siitä, että sisääntulovalokanava (1) on monimuotoinen, ja että interferometri käsittää epäsymmetrisen optisen Y-haaroittimen (8) kahden erilaisen yksimuotoisen sisääntulovalokanavan (9a, 9b) yhdistämiseksi mai-30 nituksi monimuotoiseksi sisääntulovalokanavaksi (1).

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen interferometri, tunnettu siitä, että epäsymmetrisen optisen Y-haaroittimen (7) ulostulovalokanavat (4a, 4b) ovat erilevyiset, jolloin aallonpituus tai polarisaa-35 tio, jonka aaltomuodot interferoivat monimuotoisessa valo- 10. n S 9 7 kanavassa (3) samanvaiheisina, kytkeytyvät leveämpään ulostulovalokanavaan (4a), ja toinen aallonpituus tai polarisaatio, jonka aaltomuodot interferoivat monimuotoisessa ulostulovalokanavassa (3) vastakkaisvaiheisina, kytk-5 eytyy kapeampaan ulostulovalokanavaan (4b).

5. Mach-Zehnder-interferometri, joka käsittää ensimmäisen optisen Y-haaroittimen (7) kahden yk- simuotoisen sisääntulovalokanavan (4a, 4b) yhdistämiseksi yhdeksi monimuotoiseksi valokanavaksi (3) 10 toisen symmetrisen optisen Y-haaroittimen (6) mai nitun monimuotoisen valokanavan (3) jakamiseksi kahdeksi erilliseksi yksimuotoiseksi valokanavaksi (2a, 2b), kolmannen symmetrisen optisen Y-haaroittimen (5) mainittujen kahden erillisen yksimuotoisen valokanavan 15 (2a, 2b) yhdistämiseksi yhdeksi yksimuotoiseksi ulostulo- valokanavaksi (1), tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen optinen Y-haaroitin on adiabaattinen epäsymmetrinen Y-haa-roitin, ja että yksimuotoisista sisääntulovalokanavista 20 (4a, 4b) mainittuun monimuotoiseen valokanavaan (3) syö tettävät valon eri aallonpituudet tai polarisaatiot kyt-keytyvät monimuotoisen valokanavan (3) eri aaltomuotoihin, ja että mainittujen kahden erillisen yksimuotoisen valo-kanavan (2a, 2b) kautta kulkeneet valon eri aallonpituudet 25 tai polarisaatiot ovat samanvaiheiset kytkeytyen yksimuo- toisessa ulostulovalokanavassa etenevään muotoon.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen interferometri, tunnettu siitä, että interfero- metri on valmistettu ionivaihtotekniikalla lasisubstraa- 30 tille.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen interferometri, tunnettu siitä, että mainitut monimuotoiset valokanavat (1, 3) ovat kaksimuotoisia valoka-navia.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen η 9Π 597 interferometri, tunnettu siitä, että mainitut valon erilaiset polarisaatiot ovat TE- ja TM-polarisaa-tiot.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen 5 interferometri, tunnettu siitä, että valon kulkusuunta on käännettävissä vastakkaiseksi.

9 90597

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen interferometri, tunnettu siitä, että ainakin toinen mainituista kahdesta erillisestä yksimuotoisesta valo- 10 kanavasta (2a, 2b) on varustettu välineillä valokanavan aiheuttaman vaiheensiirron säätämiseksi. 12 90 59 7