NL8600782A

NL8600782A - Elektro-optisch geinduceerde optische golfgeleider, en actieve inrichtingen waarvan zulk een golfgeleider deel uitmaakt.

Info

Publication number: NL8600782A
Application number: NL8600782A
Authority: NL
Original assignee: Nederlanden Staat
Priority date: 1986-03-26
Filing date: 1986-03-26
Publication date: 1987-10-16
Also published as: DK155587A; DE241967T1; US4867516A; NO871210L; DK155587D0; EP0241967A1; JPS62240923A; NO871210D0; ES2000235A4

Description

Λ * t VO 8138

Elektro-optisch geïnduceerde optische golfgeleider, en actieve inrichtingen waarvan zulk een golfgeleider deel uitmaakt.

A» Achtergrond van de uitvinding J^Gebied van ^e_uitvin_din£

De uitvinding heeft betrekking op een door electro-optische werking geïnduceerde optische golfgeleider, alsook op Inrichtingen waarvan zulk een golfgeleider deel uitmaakt. Door interactie tussen licht en een aangelegd electrisch veld, ontstaat in een 5 medium, althans wanneer een electro-optische coëfficiënt daarvan een zekere grootte bezit, een zodanige brekingsindexverdeling dat een lichtgolfgeleidingspad in dit medium is gedefinieerd.

^._S^a£d_van_de_ jtedraiek ~

Een optische golfgeleider van bovenomschreven soort is bij-10 voorbeeld bekend uit de onder D. genoemde referentie (1). Volgens deze bekende techniek wordt gebruik gemaakt van een enkel-• kristalsubstraat van KNb03, in de vorm van een loodrecht op de b-as gesneden plaatje. Op het bovenvlak daarvan zijn twee evenwijdige en naast elkaar liggende strookvormige electrodes aange-15 bracht. Door middel van deze electrodes kan een electrostatisch 8S0G732 - 2 - veld teweeg worden gebracht waarvan de hoofdrichting samenvalt met die van de c-as. Door interactie tussen dit veld en licht ontstaat in het substraat een electro-optisch effect. Meer in het bijzonder wordt een TE-modus lichtgolf geleidend pad in dit 5 substraat geïnduceerd, althans voorzover de veldvector, de optische as van het substraat materiaal en de electrische vector van het licht volgens in hoofdzaak één en dezelfde richting verlopen.

Aan een dergelijke bekende structuur kleven de volgende bezwa— 10 ren:

Geringe graad van vrijheid wat gebruiksmogelijkheid en toepassing betreft; de dichtheid van het electrostatische veld en daarmee de interactie licht-veld, is relatief sterk plaatsafhankelijk; 15 voor één lichtgolfgeleidingspad zijn twee evenwijdige en naast elkaar in een zelfde vlak liggende electrodes vereist; een samenstelsel kristalplaatje-electrodes is een "bulk"-struc-tuur welke zich minder goed leent voor toepassingen op het gebied van geïntegreerde optica.

20 De onder D genoemde referentie (2) beschrijft verscheidene soorten van geïntegreerde optische inrichtingen, zoals een modulator en een schakelaar, waarvan de werking eveneens op het elec-tro-optische effect berust. De in het kader van deze bekende techniek voorgestelde basisstructuur komt in wezen overeen met 25 hetgeen in bovenvermelde referentie D (1) is beschreven. Referentie D (2) voegt daaraan toe een uitvoeringsvorm van een electro-optische schakelaar met drie evenwijdige, in één en hetzelfde vlak liggende strook electrodes. Aan een dergelijke uivoeringvorm kleven in principe dezelfde bezwaren als die welke in verband met 30 referentie D (1) zijn genoemd. Bovendien is het vereist dat de centrale electrode in vergelijking met de zij-electrodes een zeer geringe breedte bezit. Zulks betekent een fabricage-technisch bezwaar.

- 3 -

De onder D genoemde referentie (3) beschrijft electro-optisch geïnduceerde strook-golfgeleiders waarbij gebruik is gemaakt van een planair LiNb03 substraat met een daarin gediffundeerde dunne Ti-film. Daarbij zijn beschouwingen gewijd aan de relaties tussen 5 de verdeling van het optische veld en mogelijke voortplantings- modi. Gewezen wordt op de mogelijkheid om het effect waarbij door een extern electrisch veld verschillende pq-modi kunnen bestaan, te gebruiken voor het in intensiteit moduleren van een optisch signaal. Ook voor deze bekende techniek gelden dezelfde bezwaren 10 als die welke in verband met referentie D (1) zijn genoemd.

B. Samenvatting van de uitvinding

Met de uitvinding is in het algemeen beoogd een electro-optisch induceerbare optische golfgeleider beschikbaar.te stellen, waarmee tegemoet wordt gekomen aan de onder A2 geschetste bezwa-15 ren. Daartoe wordt gebruik gemaakt van een electro-optisch materiaal meer in het bijzonder een electro-optisch polymeer, dat in de vorm van een zeer dunne film met gelijkmatige dikte op een draaglaag kan worden aangebracht; verder is de optische as van dit materiaal in hoofdzaak loodrecht op het vlak van zulk een 20 film gericht, terwijl de electro-optische coëfficiënt in verhouding tot die van de gebruikelijke electro-optische materialen, aanzienlijk hoger is. Illustratief is bijvoorbeeld een r33 van ca. 30 - 100 groter dan die van LiNb03. Een electro-optische inrichting met een substraat en een daarop aangebracht stel elec-25 trodes voor het teweegbrengen van een electrisch veld, zodanig dat een lichtgolfgeleidingspad wordt geïnduceerd is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat op dit substraat in de aangegeven volgorde gestapeld zijn aangebracht, een als grondplaat-electrode dienende electrisch geleidende film, een licht isole-30 rende bufferlaag waarvan de brekingsindex enigszins lager is dan die van de lichtgeleidende laag, zodanig dat het licht niet wordt 'g0 ·:. 3 2 - 4 - gedempt door de aanwezigheid van de electrodes, een film van electro-optisch materiaal met een relatief grote electro-optische coëfficiënt, alsook met een optische as die in hoofdzaak loodrecht staat op de electrisch geleidende film, een licht isoleren— 5 de bufferlaag, en een electrode, dienende om in het electro-optisch materiaal tussen deze electrode en de genoemde electrisch geleidende film, het electrische veld teweeg te brengen.

Met een dergelijke structuur is het mogelijk om in de film van electro-optisch materiaal plaatselijk een brekingsindexverande-10 ring (verhoging) ten opzichte van de omgeving teweeg te brengen van ca. 0,005 bij een spanningsval in de lichtgeleidende film van ca. lV/pm. Met beschikbare technologie kan hierbij een structuur worden gerealiseerd waarbij een spanning tussen de electrode en de als tegenelectrode werkzame electrisch geleidende film -die op 15 het substraat is aangebracht, van ca. 5V, voldoende is om een door de enkele, zich op de tweede bufferlaag bevindende electrode gedefinieerde lichtgolfgeleider in de electro-optische film te induceren. Uitgaande van monomodus (TM) licht, zijn de componenten meer in het bijzonder electrische veldsterkte, optische as 20 van de electro-optische film en lichtvector d.w.z. de electrische veldvector van het geleide TM-gepolariseerde-licht, waartussen interactie plaats vindt in hoofdzaak loodrecht gericht op de scheidingsvlakken (interfaces) van de op het substraat gevormde lagenstructuur. Zulks betekent dat een grote verscheidenheid van 25 verschillende configuraties van electrodes op de tweede bufferlaag mogelijk is, waarbij ongeacht de gekozen electrodeconfi-guratie, een in hoofdzaak constant electro-optisch effect is verzekerd.

Een electro-optische inrichting volgens de uitvinding kan met 30 voordeel worden gebruikt voor het realiseren van actieve geïntegreerde optische componenten. De in het voorafgaande beschreven structuur, kan wanneer deze een enkele strookvormige electrode 8600782 '1 - 5 - + > omvat, als geïntegreerde optische fase modulator dienen. Daartoe wordt de gelijkspanning die nodig is voor het induceren van een lichtgolfgeleider, 'gecombineerd met een wisselspanning. Deze wisselspanning bewerkstelligt dat het geleidelicht in fase wordt 5 gemoduleerd. Een geïntegreerde optische richtkoppeling is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat genoemde electrode die wordt gedragen door de licht isolerende bufferlaag, deel uitmaakt van een patroon van strookvormige electrodes, meer in het bijzonder een patroon met twee evenwijdige en zich in hetzelfde vlak 10 naast elkaar bevindende electrodes, waarbij elk van deze electrodes zich bevindt tussen twee zich in het verlengde daarvan uitstrekkende electrodes; en elk van deze electrodes electrisch is verbonden met een afzonderlijk aan de desbetreffende electrode toegevoegd electrisch aansluitorgaan.

15 Een geïntegreerde optische schakelaar is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat genoemde electrode die wordt gedragen door de licht isolerende bufferlaag, deel uitmaakt van een patroon van strookvormige electrodes, meer in het bijzonder een patroon met twee evenwijdige en zich naast elkaar in hetzelfde 20 vlak bevindende electrodes, een derde daaraan evenwijdige en zich gedeeltelijk daartussen uitstrekkende electrode. Een alternatieve uitvoeringsvorm is gekenmerkt door een vierde in het verlengde van deze derde electrode aangebrachte en zich tussen genoemde twee evenwijdige electrodes bevindende electrode. Een dergelijke 25 structuur kan in afhankelijkheid van de aangelegde electrische bekrachtiging van de electrodes, naar keuze als distributieve of als communicatieve schakelaar werkzaam zijn.

Een geïntegreerd optisch bochtstuk met geringe kromtestraal, is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat genoemde elec-30 trode die wordt gedragen door de licht isolerende bufferlaag, is uitgevoerd als een in het draagvlak gebogen strook; dat op genoemde electro-optische film een in hoofdzaak gelijk gebogen, en - 6 - een geheel met deze film vormende rug aanwezig is; en de gebogen strook deze rug gedeeltelijk overlapt.

De uitvinding resulteert in de volgende voordelen: ongewenste koppeleffecten tussen golfgeleiders zijn geëlimi-5 neerd; de geïntroduceerde demping is gering; eenvoudig fabricageproces; hoge pakkingsdichtheden zijn mogelijk; en vrijwel identieke golfgeleiders kunnen worden geïnduceerd.

10 C. Korte beschrijving van de tekening

De uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekening, waarin

Fig. 1 een schema geeft van een uitvoeringsvoorbeeld van een electro-optisch induceerbare lichtgolfgeleider volgens de 15 uitvinding;

Fig. 2 een schema geeft van een uitvoeringsvoorbeeld van een geïntegreerde optische richtkoppeling volgens de uitvinding;

Fig. 3 een schema geeft van een uitvoeringsvoorbeeld van een 20 geïntegreerde optische schakelaar volgens de uitvinding; en

Fig. 4 een schema geeft van een geïntegreerd optisch bochtstuk volgens de uitvinding.

D. Referenties 25 (1) Artikel van J.C. Baumert e.a. getiteld "KNb03 electro-optic induced optical waveguide cut_off modulator”, gepubliceerd in "Appl.Phys.Lett. 46(11) June 1985; (2) Artikel van P. Vandenbulcke e.a. getiteld "Static field analysis of thin film electro-optic lightmodulators and ; 30 switches" in "Wave Electronics (1974, 76) blz. 295-308; (3) Artikel van L. Savatinova e.a. getiteld "Electrically induced Λ λ Λ .·> *7 ί") ί')

Ο ί, Μ υ J Ο L

• 4- % - 7 -

Ti j LiNbOj strip-waveguides: Effect of electro-optic modulation" gepubliceerd in "Journal of Optical Communications" 1984, p» 10-15; (4) Franse octrooiaanvrage 022297 (06.09.79) betreffende: 5 Integrated electro-optical switch for telecommunications; en (5) DNL-monografie 8502 getiteld "Geïntegreerde Optica”, auteur N.H.G. Baken, (publicatie PTT Dr Neher Laboratorium,

Leidschendam, HL).

E. Beschrijving 10 Het in figuur 1 weergegeven schema is Illustratief voor een uitvoeringsvoorbeeld van een electro-optisch induceerbare optische golfgeleidingsstructuur. Deze structuur omvat: een substraat 1.1; een daarop gevormde als electrode dienende electrisch geleidende film 1.2; een daarop gevormde licht isolerende (eer-15 ste) bufferlaag 1.3; een daarop gevormde film van electro-optisch materiaal 1.4; een daarop gevormde (tweede) licht isolerende bufferlaag 1.5; en een daardoor gedragen electrode 1.6.

In het algemeen is de modus van een dergelijke optische golf-geleidingsstructuur aangepast aan die van een monomodus optische 20 vezel met een daarvoor kenmerkende kerndiameter van 5-10 pm en een numerieke apertuur van ca. 0,1-0,15. Het substraat kan bestaan uit ofwel een Si-wafel met een Si02 deklaag, ofwel een glasplaatje, of een geschikt dielectrisch substraat. De eerste 1.3, en tweede 1.5, bufferlaag bestaat bijvoorbeeld uit een laag 25 Si02 of polystyreen. Een dergelijke laag kan door middel van een gebruikelijke techniek worden aangebracht. Een kenmerkende dikte is bijvoorbeeld 100-300 nm» Als alternatief kunnen polyimide filmlagen in een aceton oplossing worden opgesponnen. De electrodes 1.2; 1.6 kunnen uit aluminium of goud worden gevormd. Alter-30 natieven zijn dikke-film transparante electrodes of dunne-film transparante electrodes. De electro-optische film 1.4, kan vanuit een oplossing van Polymeer I in bijvoorbeeld Chloroform, Dichlo- «Τ' 'te - 8 - romethaan etc. worden neergeslagen. De electro-optische coëfficiënt van dit materiaal is bijvoorbeeld 30-100 groter dan die van LiNbOg. Hierbij is een Δ n > 0,005 bij lV/pm in dit materiaal mogelijk. De filmlaag kan met een geschikt gekozen dikte, (enige 5 pm) worden opgesponnen.

Een structuur van de in het voorafgaande beschreven soort blijkt bij een betrekkelijk lage spanning van ca. 5V tussen de electrodes 1.2 en 1.6, reeds, als lichtgolfgeleider te fungeren. Optische transmissie kan hierbij plaatsvinden in het gebied van 450-2000 10 nou Het traject waarlangs optische transmissie plaatsvindt is in hoofdzaak bepaald door de vorm en afmetingen van de strookelec-trode 1.6.

Uitgaande van monomodus TM licht is de interactie licht-elec-trisch veld, over het gehele oppervlak van de tweede bufferlaag 15 1.5 beschouwd, vrijwel constant. Met andere woorden deze inter actie is onafhankelijk van de voortplantingsrichting van het licht. Dit wegens de richting van veld, electrische veldvector van het licht en optische as van electro-optische polymeerfilm, loodrecht op dit oppervlak. Hierdoor kunnen een of meer van deze 20 strookelectrodes zoals 1.6, volgens talrijke verschillende configuraties op de tweede bufferlaag 1.5 worden aangebracht. Door elk van deze electrodes te voorzien van een afzonderlijk electrisch aansluitorgaan, is het op eenvoudige wijze mogelijk om actieve optische componenten of samenstelsels daarvan te realiseren.

25 Een structuur van de in verband met figuur 1 beschreven soort, kan wanneer deze is voorzien van een enkele strookelectrode 1.6, fungeren als een optische fasemodulator. Daartoe dient aan de gelijkspanning die het benodigde electrische veld veroorzaakt, een modulerende wisselspanning te worden toegevoegd. Moduleren 30 tot zeer hoge frequenties is hierbij mogelijk.

Een verder uitvoeringsvoorbeeld van een geïntegreerde optische richtkoppeling die is samengesteld uit electro-optisch induceer- £ £ V Λ 0 V V "J 'J * J Sm -s « - 9 - bare golfgeleiders met een in het voorafgaande beschreven structuur, is schematisch weergegeven in figuur 2. Deze figuur toont in bovenaanzicht een configuratie van zes strookelectrodes 2.1; 2.2; 2.3; 2.4; 2.5 en 2.6, die elk vergelijkbaar zijn met de 5 electrode 1.6 van de structuur volgens figuur 1. Illustratief voor de afmetingen van deze electrodes zijn: breedte 3 μπι; dikte 0,2 nm; lengte (electrodes 2.2 en 2.5) * 1 μπι. Onderlinge afstand tussen de rijen 2.1-2.3 en 2.4-2.6 is in de orde van 1-3 μ®.

Verdere illustratieve afmetingen van de structuur zijn: 10 dikte tweede bufferlaag ** 0,1-2,0 μπι; dikte electro-optische film » 3 μπι; dikte eerste bufferlaag *» 0,1-2,0 μπι; dikte tegenelectrode * 0,1-0,3 μπι.

De dikgetrokken lijnen zijn illustratief voor twee mogelijke 15 transmissietrajecten 2.7 en 2.8. Het traject 2.7 wordt geïnduceerd wanneer de electrodes 2.1; 2*2 en 2.3 worden bekrachtigd; het traject 2.8 wordt geïnduceerd wanneer de electrodes 2.3; 2.5 en 2.4 worden bekrachtigd. Een dergelijke richtkoppeling heeft de volgende voordelen: 20 hoog koppelrendement; geringe overspraak; geringe demping wegens "gladde wanden" en het ontbreken van "knikken" in de electrodes); en eenvoudige fabricage.

25 Een uitvoeringsvoorbeeld van een geïntegreerde optische schakelaar die is samengesteld uit induceerbare golfgeleiders volgens figuur 1, is weergegeven in figuur 3. Deze figuur toont een configuratie van vier electrodes 3.1; 3.2; 3.3 en 3.4. Illustratieve afmetingen voor deze structuur zijn: 30 breedte van de electrodes » 3 μπι; onderlinge afstand van de electrodes zoals 3.1-3.3(3.4) en 3.2-3.3(3.4) « 2μπι; - 10 - dikte electrodes »0,2 μπι; dikte bufferlagen (elk) ca. 0,1-2 μπι; dikte electro-optische film ca. 1,5 μπι;

Bij bekrachtiging (ca. 5,5 V) van de electrodes 3.3; 3.4; 3.1 5 en 3.2 fungeert het geheel als een communicatieve schakelaar. Het daarvoor kenmerkende transmissietraject is in figuur 3 aangeduid door 3.5.

Bij bekrachtiging van de electrodes 3.3 en 3.1 of 3.3 en 3.2 fungeert het geheel als een distributieve schakelaar. De daarvoor 10 kenmerkende transmissietrajecten zijn in figuur 3 aangeduid door 3.6 en 3.7. De dimensionering en het materiaal van de structuur volgens figuur 3 kunnen zodanig worden gekozen dat de koppelleng-ten Lj_ en L2 ongeveer aan elkaar gelijk zijn. In dat geval kan de electrode 3.4 achterwege worden gelaten.

15 Behalve de in het voorafgaande vermelde voordelen, heeft dit uitvoeringsvoorbeeld volgens figuur 3 het voordeel dat één en dezelfde fysische component naar keuze als distributieve, of als communicatieve schakelaar kan worden gebruikt.

Figuur 4 is illustratief voor een uitvoeringvoorbeeld van een 20 geïntegreerde induceerbare golfgeleider waarbij het licht zich volgens een bochttraject voortplant. Een dergelijke structuur omvat de volgende onderdelen: een substraat 4.1; een als electrode fungerende electrisch geleidende film 4.2; 25 een eerste licht isolerende bufferlaag 4.3; een electro-optische film 4.4 met daarop een boogvormig verlopende rug 4.5; een tweede licht isolerende bufferlaag 4.6; en een eveneens boogvormig verlopende electrode 4.7 die de rug 30 gedeeltelijk overlappend op de tweede bufferlaag 4.6 is aange bracht .

Bij bekrachtiging van de beide electrodes 4.2 en 4.7 wordt in de electro-optische film 4.4 een golfgeleidingsbaan geïnduceerd ^ ^ Λ ‘7 Λ- *") •n - 11 - met een boogvormig verloop. Met een dergelijke structuur is het mogelijk om transmissiebochten met een geringe kromtestraal van bijvoorbeeld ca. 50 μαχ te induceren.

Verdere voordelen zijn: 5 geringe verliezen; en eenvoudige fabricage.

Voor het vormen van de rug 4.5 en de electrode 4.7 kan namelijk êên en hetzelfde masker worden gebruikt.

Vanzelfsprekend is de uitvinding niet beperkt tot de beschra-10 ven uitv’oeringsvoorbeelden. Talrijke andere uitvoeringsvormen zijn binnen het kader van de uitvinding mogelijk.

Claims

1. Electro-optische inrichting, omvattende een substraat en een daarop aangebracht stel electrodes voor het teweeg brengen van een electrisch veld, zodanig dat een lichtgolfgeleidingspad wordt 5 geïnduceerd, met het kenmerk dat op dit substraat in de aangegeven volgorde gestapeld zijn aangebracht een electrisch geleidende film, een licht isolerende bufferlaag, een film van electro-optisch materiaal met een relatief grote electro-optische coëfficiënt alsook met een optische as, die in hoofdzaak loodrecht 10 staat op de electrisch geleidende film, een licht isolerende bufferlaag, en een electrode, dienende om in het electro-optisch materiaal tussen deze electrode en de genoemde electrisch geleidende film het electrische veld teweeg te brengen.

2. Electro-optische component volgens conclusie 1, met met ken-15 merk dat genoemde electrode, die wordt gedragen door de licht Isolerende bufferlaag, deel uitmaakt van een patroon van strook-vormige electrodes, meer in het bijzonder een patroon met twee evenwijdige en zich in hetzelfde vlak naast elkaar bevindende electrodes, waarbij elk van deze electrodes zich bevindt tussen 20 twee zich in het verlengde daarvan uitstrekkende electrodes; en elk van deze electrodes electrisch is verbonden met een afzonderlijk aan de desbetreffende electrode toegevoegd electrisch aanslui torgaan.

3. Electro-optische component volgens conclusie 1, met het ken-25 merk dat genoemde electrode, die wordt gedragen door de licht isolerende bufferlaag, deel uitmaakt van een patroon van strook-vormige electrodes, meer in het bijzonder een patroon met twee evenwijdige en zich naast elkaar in hetzelfde vlak bevindende electrodes, een derde daaraan evenwijdige en zich gedeeltelijk 30 daartussen uitstrekkende electrode.

4. Electro-optische component volgens conclusie 3, gekenmerkt door een vierde, in het verlengde van de derde electrode aangebrachte en zich tussen genoemde twee evenwijdige electrodes bevindende electrode.

5. Electro-optische component volgens conclusie 1, met het kenmerk V 0 V ij i J ▲ - 13 - dat genoemde electrode, die wordt gedragen door de electrisch isolerende bufferlaag, is uitgevoerd als een in het draagvlak gebogen strook; dat op genoemde electro-optische film een in hoofdzaak gelijk gebogen, en een geheel met deze film vormende 5 rug aanwezig is; en de gebogen strook deze rug gedeeltelijk overlapt .