NL9000210A

NL9000210A - Geintegreerde optische polarisatiesplitser.

Info

Publication number: NL9000210A
Application number: NL9000210A
Authority: NL
Original assignee: Nederland Ptt
Priority date: 1990-01-29
Filing date: 1990-01-29
Publication date: 1991-08-16
Also published as: NO910254D0; ES2056560T3; NO910254L; KR910014724A; FI103219B1; EP0444721A1; TW198101B; US5056883A; CA2035098C; KR0178795B1; JP2657436B2; DE69102450T2; NO180659C; DE69102450D1; FI910427A0; JPH06230439A; DK0444721T3; EP0444721B1; FI910427A; FI103219B

Description

Koninklijke PTT Nederland Ny. te Groningen

Geïntegreerde optische polarisatiesplitser Ά. Achtergrond van de uitvinding 1. Gebied van de uitvinding

De uitvinding ligt op het gebied van geïntegreerdeoptische componenten. De uitvinding behelst eengeïntegreerde optische polarisatiesplitser op basis vanhet modusfilter principe.

2. Stand van de techniek

Optische polarisatiesplitsers, ook wel TE-TMmodussplitsers genoemd/ vinden bijvoorbeeld toepassingin coherent-optische detectiesystemen. In dergelijkesystemen lost men het probleem dat depolarisatietoestand van het informatie dragende licht,dat veelal via een gewone monomodus glasvezel wordtaangeboden, kan fluctueren, onder meer op doortoepassing van het zogenoemde polarisatie-diversiteit(PD-)schema. Volgens dit schema wordt het ontvangenlicht met behulp van een polarisatiesplitser in tweebijdragen met onderling loodrechte polarisatierichtinggesplitst. De beide bijdragen worden vervolgens apartgedetecteerd en verwerkt. Een geïntegreerd coherent-optisch detectiesysteem vereist uiteraard een optischepolarisatiesplitser in geïntegreerde vorm.

Tot op heden bekende polarisatiesplitsers berusten onderandere op het principe van modusfiltering. Dit principehoudt in dat bij golfgeleiders die elkaar naderen deoptische veldverdeling in het interact!egebied, waar degolfgeleiders samenkomen, afhangt van in hoeverre degolfgeleiders aan elkaar gelijk zijn.

Als ze identiek zijn ontstaan er twee onafhankelijkegolven in dat interactiegebied: een zogenoemde even, en een zogenoemde oneven modus van gelijke intensiteit. Alsde geleiders echter verschillen, i. e. asymmetrisch zijn,bijvoorbeeld in de breedte, worden de even en de onevenmodus niet meer even sterk aangeslagen: als het lichtbinnenkomt via de geleider met de laagste propagatie-constante wordt de oneven modus sterker, via de anderegeleider echter juist de even modus sterker aangeslagen.Wanneer de asymmetrie tussen de geleiders maar grootgenoeg is, wordt slechts een modus aangeslagen. Echtergeldt hoe groter de hoek tussen de geleiders des tegroter de benodigde asymmetrie. Voor golfgeleiders diehet licht uit het interactiegebied wegvoeren en zich dusvan elkaar verwijderen, geldt juist het omgekeerde: bijvoldoende asymmetrie gaat de even modus volledig verderin de uitgaande geleider met de hoogstepropagatieconstante, en de oneven modus juist via deandere.

Dus een asymmetrie aangebracht tussen de inkomendegolfgeleiders bewerkstelligt een selectief aanslaan vande even of oneven modus in het interactiegebied; eenasymmetrie in de uitgaande geleiders bewerkstelligt eenselectief uitkoppelen van de even of de oneven modus inelk der uitgaande golfgeleiders. De richting van deasymmetrie bepaalt welke modus bij welke geleider hoort.Toegepast op een polarisatiesplitser betekent dit dat deasymmetrie zo wordt gekozen dat deze voor de TE-polarisatie anders van teken wordt dan voor de loodrechtdaarop staande' TM-polarisatie. Dit kan of aan deingangszijde of aan uitgangszijde geschieden. Is deuitgangszijde aldus ingericht, en is de ingangszijde zogemaakt dat het een ingangskanaal omvat, dat beidepolarisaties kan geleiden in de grondmodus, dan werktdeze polarisatiesplitser als volgt. Door de inkomendegolfgeleider wordt licht geïnjecteerd dat zowel de TE-als de TM-polarisatie bevat. Elk van deze polarisatiesin die (even) grondmodus zal vervolgens aan de uitgangs- zijde via de geleider met de voor die polarisatiehoogste propagatieconstante worden uitgekoppeld. Op dezewijze wordt een splitsing van polarisaties gerealiseerd.Een dergelijke polarisatiesplitser op basis van eenmodusfilter is bekend uit referentie [1] (zie onder C. ).Deze bekende splitser is aangebracht op een substraatvan LiNb03 (Z-snede) en berust op de combinatie ven eengewone door Ti-diffusie verkregen lichtgolfgeleider eneen daarop onder een scherpe hoek (Θ) aansluitendepolarisatie gevoelige lichtgolfgeleidende zij-tak. Depolarisatie gevoelige lichtgolfgeleider is aangebrachtin/op het substraat door middel van een "proton-exchange" (PE) proces. Met dit proces is bewerkstelligddat ter plaatse van de geleider de buitengewonebrekingsindex n. is toegenomen, terwijl de gewonebrekingsindex no iets is afgenomen. De Ti-golfgeleideren de PE-zijtak kunnen onderling verschillende breedtenbezitten, en de aansluiting van de PE-tak is puntigtoeges neden ("tapered").

Deze bekende polarisatiesplitser vereist evenwel eenzeer critische geometrie, en is daardoor fabricage-technisch nogal bewerkelijk. Een goede splitsing van depolarisaties vereist bovendien een zeer scherpe hoek (Θ£ 0,01 rad bij een onderdrukking tot 20.0 dB), zodat debenodigde lengte relatief groot is.

B. Samenvatting van de uitvinding

De uitvinding beoogt te voorzien in een geïntegreerdeoptische polarisatiesplitser eveneens gebaseerd op hetmodusfilter principe, welke splitser bovengenoemdenadelen niet bezit. Een optische component voor hetsplitsen van een invallend lichtsignaal in tweeuitgaande lichtsignalen met onderling loodrechtepolarisatierichtingen, welke component omvat een op danwel in een substraat aangebrachte lichtgolfgeleiderpa-troon insluitende een in hoofdzaak polarisatie- ongevoelige eerste kanaalvormige lichtgolfgeleider, entenminste een polarisatie-gevoelige tweede kanaalvormigelichtgolfgeleider, welke als zijtak onder een scherpehoek op de eerste lichtgolfgeleider aansluit/ is volgensde uitvinding daartoe gekenmerkt, dat hetlichtgolfgeleiderpatroon bestaat uit een poolbaarglasachtig polymeer, dat zich in de eerste lichtgolf-geleider in ongepoolde toestand, en in de tweedelichtgolfgeleider althans in het gedeelte, datonmiddellijk aansluit op de eerste lichtgolfgeleider, ingepoolde toestand bevindt.

De uitvinding berust op de eigenschap dat eenpoolbaar glasachtig polymeer van de soort zoals bekenduit de referenties [2], en [3] in gepoolde toestandpolarisatie-gevoelig is en in ongepoolde toestand nietof nauwelijks. Zoals bekend uit referentie [3] kan eenpolymeer van deze bekende soort onder bestraling met eenioniserende straling (bijv. UV-licht) nog in een derdetoestand worden gebracht waarin het materiaal zijnpotentie van electro-optische activiteit heeft verloren.Dit blijkt echter in te houden dat het ook zijnpoolbaarheid heeft verloren. Bovendien is uit dezereferentie bekend dat de bestraling tevens een verlagingvan de brekingsindex bewerkstelligt ten opzichte van hetonbestraalde materiaal, hetgeen betekent dat het onderde bestraling uitgespaarde materiaal, mits als zodaniggedimensioneerd, zowel in gepoolde als ongepooldetoestand als lidhtgolfgeleider kan fungeren. Bijvoorkeur heeft de uitvinding dan ook het kenmerk, dathet genoemde lichtgolfgeleiderpatroon onder selectievebestraling is uitgespaard in een dunne laag van poolbaarglasachtig polymeer.

Een optische component volgens de uitvinding heeft devolgende voordelen: - de component is breedbandig, hetgeen wil zeggen dat de goede polarisatie-splitsende werking zich over een zeer groot golflengtegebied uitstrekt; - de polarisatiescheiding is zeer goed zo niet beterin vergelijking met bekende TE-TM modussplitsers; - de fabricage is eenvoudig en de toleranties zijnrelatief groot; - de lengte van de component kan korter zijn, dan dievan tot op heden bekende componenten, hetgeen vangroot voordeel is bij integratie met anderecomponenten; - de component laat correctie toe van de asymmetriedoor gebruik te maken van de electro-optischeactiviteit van het gepoolde materiaal van de zijtak.

C. Referenties [1] Nobuo Goto, Gar Lam Yip: "A TE-TM mode splitter inLiNb03 by proton exchange and Ti diffusion", J.Lightwave Technology, vol. 7, no. 10, October 1989,p. 1567-1574.

[2] EP Octrooiaanvrage No. 0290061-A met titel:

Linear addition polymer with hyperpolarizable side-groups.

[3] EP Octrooiaanvrage No. 0344857-A met titel:Electro-optical component and method for making thesame.

D. Korte beschrijving van de tekening

De uitvinding zal nader worden toegelicht middels eenbeschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld, waarbij wordtverwezen naar een tekening, waarinFiguur 1 schematische weergave van een lichtgolfgeleiderpatroon in bovenaanzicht vaneen polarisatiesplitser volgens de uitvinding,en

Figuur 2 schematische weergave van een polarisatiesplitser overeenkomstig figuur 1gezien in een dwarsdoorsnede volgens de lijnII.

E. Beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld

Uit referentie [3] is bekend dat een poolbaarglasachtig polymeer van een soort zoals ondermeer bekenduit referentie [2] onder bestraling met UV-licht eenpermanente brekingsindexverlaging ondergaat ten opzichtevan het poolbare polymeer in ongepoolde toestand. Dezebrekingsindexverlaging ligt voor infra-rood licht (ca.1300 nm) in de orde van grootte Δη = 0,03. Het polymeerkomt door dergelijke bestraling tevens in een toestand,waarin het zijn poolbaarheid, d. w. z. dat het door polingelectro-optisch actief kan worden gemaakt, heeftverloren. Deze beide effecten zijn voor beide polarisa¬ties identiek gebleken. Poolbaar glasachtig polymeer kanin twee toestanden verkeren, namelijk in een ongepooldeen in een gepoolde, van welke toestanden de ongepooldenauwelijks en de gepoolde toestand zeer polarisatie-gevoelig is gebleken. Op deze eigenschap, namelijk hetkunnen innemen van deze drie toestanden (t. w. onpoolbaarmet verlaagde brekingsindex, poolbaar-ongepoold, enpoolbaar-gepoold), waarvan er slechts een polarisatie-gevoelig (η. 1. de poolbaar-gepoolde) is, is de optischepolarisatiesplitser volgens de uitvinding gebaseerd.

Een brekingsindex verandering, dat het polymeer onderbestraling ondergaat, van een grootte-orde als bovengenoemd, betekent, dat in een dunne laag van eendergelijk poolbaar glasachtig polymeer door selectievebestraling strookvormige lichtgolfgeleiders kunnenworden uitgespaard. Dit houdt in dat de polarisatie¬splitser volgens de uitvinding volledig met de uitreferentie [3] bekende techniek is te vervaardigen.Derhalve zal hierna worden volstaan met de beschrijving van de opbouw en de werking ervan.

In figuur 1 en 2 is schematisch eenpolarisatiesplitser volgens de uitvinding weergegeven.Hierbij ligt in figuur 1 de nadruk op de geometrie vande component, terwijl figuur 2 de component in eendwarsdoorsnede volgens de lijn II in figuur 1 laat zien.Op een substraat 1 bevinden zich, opeenvolgend gelaagd,een vlakvormige eerste elektrode 2, een eerstebufferlaag 3, een laag 4 van glasachtig poolbaarpolymeer, en een tweede bufferlaag 5. De laag 4 omvatmet UV-licht bestraald gebied 6 en onbestraald gebied 7van zodanige vorm, dat een Y-vormig lichtgolfgeleiderpa-troon 8 van het "ridge"-type is uitgespaard. Ditlichtgolfgeleiderpatroon 8 heeft een inkomend golfgelei-derdeel 8. 1 en uitgaande golfgeleiderdelen 8. 2 en 8. 3.

In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld is het patroonzodanig gekozen, dat de uitgaande golfgeleiderdelen elkzich door middel van twee tegengesteld verlopende,vloeiend aansluitende bochtstukken met kromtestraal R enhoek Θ verwijderen van het golfgeleiderdeel 8. 1, om zichvervolgens op een afstand D parallel ermee voort tezetten. Het gebied vanaf waar in het golfgeleiderpatroon8 de vertakking begint tot waar de uitgaandegolfgeleiderdelen 8. 2 en 8. 3 weer parallel lopen met deinkomende golfgeleiderdeel 8. 1 wordt vertakkingszone 9genoemd. Deze vertakkingszone heeft een lengte L = 2Rsin© . De hoek Θ is een maat voor de effectieve hoek,waaronder de golfgeleiderdelen 8. 2 en 8. 3 zich vertakkenin de vertakkingszone 9. Alle golfgeleiderdelen hebbeneen in hoofdzaak gelijke breedte d. Daar waar hetgolfgeleiderdeel 8. 1 zich gaat vertakken in degolfgeleiderdelen 8. 2 en 8. 3 is boven (althans hetbegindeel van) het golfgeleiderdeel 8. 3 op de tweedebufferlaag 5 een tweede elektrode 10 aangebracht. Hetpolymeer materiaal van althans het gedeelte van hetgolfgeleiderdeel 8. 3, dat zich tussen de elektroden 2 en 10 bevindt, is in de gepoolde toestand gebracht. (Bijv.door het polymeer materiaal tot boven de glasover-gangstemperatuur te verwarmen, door het aanleggen vaneen spanning, de poolspanning, over de elektroden 2 en10 een sterk elektrisch veld op te wekken in hetmateriaal tussen de elektroden 2 en 10, en vervolgens afte koelen onder handhaving van het elektrische veld. )

Het materiaal in dit gedeelte van het uitgaande golfge-leiderdeel 8. 3 is daardoor dubbelbrekend, zodat debrekingsindex er afhankelijk is van de polarisatie-richting van het licht. Ten opzichte van ongepooldmateriaal gaat door poling de brekingsindex voor de TM-polarisatie omhoog, die voor de TE-polarisatie juistomlaag. Deze veranderingen in brekingsindex hebbendirecte gevolgen voor de propagatieconstanten in hetlichtgolfgeleiderpatroon 8. Voor een TM-component in eenvia het inkomende golfgeleiderdeel 8. 1 invallendlichtsignaal heeft het gepoolde golfgeleiderdeel 8. 3 dehoogste propagatieconstante, voor een TE-componentechter juist het ongepoolde golfgeleiderdeel 8. 2.Opgemerkt wordt dat slechts het gedeelte van het golfge¬leiderdeel 8. 3 tot waar de golfgeleiderdelen 8. 2 en 8. 3optisch zijn ontkoppeld hoeft te zijn gepoold.

Het toegepaste polymeer heeft voor infrarood-licht(1,3 μπι) in bestraalde vorm voor beide lichtpolarisatieseen brekingsindex van 1,56, in onbestraalde ongepooldevorm een brekingsindex van 1,590, en in gepoolde vormvoor de TE-polarisatie een brekingsindex van 1,587 envoor de TM-polarisatie een van 1, 597.

In een polarisatiesplitser vervaardigd op basis vandit polymeer met glas als substraat, met passievebufferlagen van polyurethaan dik 2,5 μη elk enbrekingsindex 1,523, goudelektroden, een polymeerlaag2,3 μη dik (- 0,3 μη bestraald, en 2,0 μη onbestraaldmateriaal) en een golfgeleiderpatroon, waarin R = 40,0mm, d = 7 μη, D = 50, 0 μη, werd een polarisa- tiesplitsverhouding > 20 dB gerealiseerd. L ligt daarbijin de orde van 1, 4 ram en Θ * 0,02 rad, terwijl deuitgaande golfgeleiderdelen liggen op een onderlingeafstand 2D = 0, 1 mm. De verwachting is, dat R nog verder kan worden gereduceerd (factor 2), zodat deeigenlijke splitsercomponent zeer weinig ruimte beslaat,hetgeen integratie met andere optische componentenaantrekkenj k maakt.

Daar het splitsende effect niet is gebaseerd op eeninterferometrisch effect, is de component in principebreedbandig.

In eerste instantie is de hierboven beschrevenpolarisatiesplitser gezien als passieve component, datwil zeggen zonder dat tijdens gebruik van de componentop enigerlei wijze de brekingsindex in hetgolfgeleiderpatroon wordt beinvloed, zoals bijvoorbeelddoor een electro-optisch effect. In zo' n passievecomponent zijn derhalve de elektroden 2 en 10 in fe'iteoverbodig, en kunnen tijdens het fabricageproces van decomponent, nadat het gewenste gebied van het polymeer isgepoold, worden verwijderd. Daar het polymeer ingepoolde toestand ook electro-optisch is en onder hetaanleggen van een electrische spanning overeenkomstighet teken van de poolspanning de verhoging, resp. deverlaging van de brekingsindex voor de TM- en de TE-polarisaties nog iets kan worden versterkt, heeft hetvoordelen de component als actieve component uit tevoeren door de electroden aan te sluiten op eenregelbare spanningsbron. Dit biedt de mogelijkheid ommet behulp van het electro-optische effect eventuelefouten, die er toch nog in de asymmetrie kunnenontstaan, tijdens bedrijf te corrigeren.

Claims

1. Een optische component voor het splitsen van eeninvallend lichtsignaal in twee uitgaande lichtsignalenmet onderling loodrechte polarisatierichtingen, welkecomponent omvat een op dan wel in een substraat aange¬brachte lichtgolfgeleiderpatroon insluitende een inhoofdzaak polarisatie-ongevoelige eerste kanaalvormige1ichtgolfgeleider, en tenminste een polarisatie-gevoelige tweede kanaalvormige lichtgolfgeleider, welkeals zijtak onder een scherpe hoek op de eerste lichtgolfgeleider aansluit, met het kenmerk, dat het lichtgolfgeleiderpatroonbestaat uit een poolbaar glasachtig polymeer, dat zichin de eerste lichtgolfgeleider in ongepoolde toestand,en in de tweede lichtgolfgeleider althans in hetgedeelte, dat onmiddellijk aansluit op de eerstelichtgolfgeleider, in gepoolde toestand bevindt.

2. Een optische component volgens conclusie 1, met hetkenmerk, dat genoemd lichtgolfgeleiderpatroon onderselectieve bestraling is uitgespaard in een dunne laagvan poolbaar glasachtig polymeer.

3. Een optische component volgens conclusie 1 of 2, methet kenmerk, dat de component voorts althansgedeeltelijk samenwerkende eerste elektroden omvat,waartussen door middel van een aan te brengenspanningsverschil een elektrisch veld kan wordenopgewekt met een werking tot in het gepoolde materiaalvan de tweede lichtgolfgeleider althans van datgedeelte,dat onmiddellijk aansluit op het ongepooldemateriaal van de eerste lichtgolfgeleider.