NL9101835A

NL9101835A - Geintegreerde optische component.

Info

Publication number: NL9101835A
Application number: NL9101835A
Authority: NL
Original assignee: Nederland Ptt
Priority date: 1991-11-01
Filing date: 1991-11-01
Publication date: 1993-06-01
Also published as: CA2081149C; EP0540088B1; NO924097L; DE69215487T2; ES2094870T3; NO924097D0; ATE145731T1; JPH05241116A; KR930010575A; FI924928A; TW207005B; DE69215487D1; JP2676301B2; CA2081149A1; KR960005284B1; FI924928A0; US5293436A; EP0540088A1

Description

Titel: Geïntegreerde optische component A. Achtergrond van de uitvinding 1. Gebied van de uitvinding

De uitvinding ligt op het gebied van de geïntegreerde optica. Zij betreft een geïntegreerde optische component welke een instelbare Mach-Zehnder interferometer omvat, en meer in het bijzonder een als polarisa-tiesplitser instelbare geïntegreerde optische component. Verder betreft zij een werkwijze voor het permanent instellen van een dergelijke component.

2. Stand van de techniek

Polarisatiesplitsers zijn op zich bekend bijvoorbeeld uit referenties [1] en [2] (zie hierna onder C.). De uit referentie [1] bekende polarisatiesplitser is een passieve splitser welke is gebaseerd op een asymmetrie in de zich vertakkende golfgeleiders in de uitgang van de splitser, welke asymmetrie is bereikt door toepassing van een poolbaar glasachtig polymeer als lichtgolf-geleidend materiaal, dat in gepoolde toestand polarisa-tiegevoelig is en in ongepoolde toestand niet of nauwelijks. Daarbij is de van de ingang naar de uitgang doorlopende lichtgolfgeleider van ongepoold, en de zich onder een scherpe hoek aftakkende golfgeleider van gepoold materiaal. Hoewel deze splitser een op zich eenvoudige structuur met een korte integratielengte bezit, blijkt de overgang tussen het ongepoolde en gepoolde materiaal en de positionering van die overgang niet altijd scherp genoeg te kunnen worden gerealiseerd om de gewenste mate polarisatiescheiding te bereiken. Referentie [2] beschrijft een actieve polarisatiesplitser gebaseerd op een koppeling van een regelbare Mach-Zehnder interferometer met een zich asymmetrisch vertakkende uitgangssectie, waarbij de koppeling verloopt via een bimodale golfgeleidersectie, terwijl de overige golfgeleiders monomodaal zijn. De golfgeleiders zijn gerealiseerd door Ti-diffusie in LiNb03 volgens een dusdanige snede dat althans in de twee golfgeleiderver-takkingen van de interferometer de beide polarisatiemodi, t.w. de TE-modus en de TM-modus van een de interferometer binnenkomend lichtsignaal een verschillende brekingsindex ondervinden. Via twee stel afzonderlijk regelbare electrodes, electrische dan wel thermische, aangebracht over de beide golfgeleidervertakkingen van de interferometer, is de optische weglengte voor elk van beide polarisatiemodi afzonderlijk regelbaar. Splitsing van de polarisaties wordt verkregen als het optische weglengte-verschil tussen de beide golfgeleidervertakkingen zodanig is, dat de beide over de golfgeleidervertakkingen in de interferometer verdeelde signalen van de ene polarisatie een faseverschil ondervinden van 2k7r, en tegelijk de beide over de golfgeleidervertakkingen verdeelde signalen van de andere polarisatie een faseverschil van (2ιη+1)π ondervinden bij het binnentreden van de bimodale golfgeleidersectie, waarbij k,m =0, 1, 2, ... Ook deze bekende actieve splitser kent als nadeel de aanwezigheid van lokaal aangebracht electrodemateriaal. Verder maakt de aard van de electrodestrukturen de vervaardiging extra bewerkelijk en de besturing nogal gecompliceerd.

Aangezien de polarisatiesplitsfunctie in feite een passieve functie is, zou een passieve uitvoering van de uit referentie [2] bekende splitserstruktuur een oplossing kunnen bieden. Dit zou echter betekenen, dat al tijdens de vervaardiging de voor een goede werking van de splitsfunctie noodzakelijke optische weglengtever-schillen voor elk van beide polarisaties in de interferometer moeten worden gerealiseerd door zeer nauwkeurige materiaalkeuze met betrekking tot de brekingsindices en door dimensionering met zeer krappe toleranties.

B. Samenvatting van de uitvinding

De uitvinding beoogt te voorzien in een passieve geïntegreerde optische component met een golfgeleider-struktuur als hierboven beschreven verwijzend naar referentie [2], welke zich door geschikte materiaalkeuze qua structuur eerst laat vervaardigen met voor dat materiaal gebruikelijke vervaardigingstechnieken zonder extra zorg voor de juiste dimensionering, en waarvan het interferometerdeel zich vervolgens op eenvoudige wijze laat afstellen op de voor de specifieke functie van de component noodzakelijke optische weglengteverschillen. Een geïntegreerde optische component volgens het pre-kenmerkdeel van conclusie 1 heeft daartoe volgens de uitvinding het kenmerk van conclusie 1. De uitvinding berust op het volgende inzicht. Poolbare gepoolde materialen, zoals het uit referentie [1] bekende poolbare glasachtige polymeer, kunnen in twee toestanden verkeren, namelijk in een ongepoolde en in een gepoolde toestand. De ongepoolde toestand is polarisatie-ongevoelig; de gepoolde toestand echter polarisatie-gevoelig. Deze polarisatie-gevoeligheid is het gevolg van het feit, dat, ten opzichte van de brekingsindex van ongepoold polymeer, tengevolge van poling een brekingsindexverandering optreedt, welke in een richting parallel met de polings-richting steeds twee maal zo groot, en bovendien tegengesteld van teken, is als die in een richting loodrecht op de polingsrichting, en dit onafhankelijk van de polings-parameters. Dit houdt in dat een lichtsignaal, dat propageert door een gebied van dergelijk gepoold polymeer, bijvoorbeeld volgens een richting loodrecht op de polingsrichting, en dat zowel een TE-component als een TM-component bevat, deze polarisatiecomponenten een verschillende optische weglengte zullen ondervinden. De absolute grootte van de brekingsindexverandering tengevolge van poling is evenredig met de mate van poling, of polingsgraad, van het polymeer. Een zo hoog mogelijke polingsgraad wordt bereikt als het polymeer met de hoogst mogelijke poolspanning wordt gepoold. Uit referentie [4] (zie met name sectie IV. C. "Decay of poling-induced alignment" en FIG. 4) is bekend, dat deze polingsgraad bij kamertemperatuur over lange tijd geen zichtbare verandering vertoont. Bij een verhoogde temperatuur, evenwel nog steeds beneden de glasovergangstemperatuur, neemt de polingsgraad echter af volgens een typische relaxatiecurve. Dit proces van afnemen van de polingsgraad stopt, als weer wordt afgekoeld tot kamertemperatuur. De onderhavige uitvinding maakt van dit fenomeen gebruik door een dergelijk materiaal op te nemen in een van de takken van een Mach-Zehnder interferometer, waardoor, na vervaardiging van de struktuur van de component, waarin de genoemde interferometer wordt toegepast, deze vervolgens onder gebruikmaking van het boven aangeduide thermische relaxatieverschijnsel afstelbaar is op het gewenste optische weglengte- of faseverschil tussen beide takken van genoemde interferometer voor elk van beide lichtpolarisaties. De onderhavige uitvinding beoogt dan ook tevens te voorzien in een werkwijze voor het afregelen van een een aldus af regelbare passieve Mach-Zehnder interferometer omvattende geïntegreerde optische component.

C. Referenties [1] EP-A-0444721; [2] K.G. Han, et al.: "Ti:LiNb03 polarization split ters using an asymmetric branching waveguide", OPTICS LETTERS, Vol. 16, No. 14, July 15, 1991, pp. 1086-1088; [3] J.W. Wu: "Birefringent and electro-optic effects in poled polymer films: steady-state and transient properties", J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 8, No. 1/January 1991, pp. 142-152; [4] D. Jungbauer, et al.: "Second-order nonlinear optical properties and relaxation characteristics of poled linear epoxy polymers with tolane chromophores", J. Appl. Phys. 69(12), 15 June 1991, pp. 8011-8017.

D. Korte beschrijving van de tekening

De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand van een tekening, welke de volgende figuren omvat: Fig. 1 struktuurdiagram van een afregelbare passieve polarisatiesplitser volgens de uitvinding;

Fig. 2 op zich bekende dwarsdoorsnede van een golf geleider toegepast in de polarisatiesplitser volgens Fig. 1;

Fig. 3 golf geleiderpatroon voor een af regelbare polarisatiesplitser.

E. Beschrijving van een uitvoerinasvoorbeeld

Uit bijvoorbeeld referentie [1] is bekend, dat een poolbaar glasachtig polymeer in twee toestanden kan verkeren, namelijk in een ongepoolde en in een gepoolde toestand. De ongepoolde toestand is polarisatie-ongevoe-lig. De gepoolde toestand is evenwel polarisatie-gevoe-lig. Uit bijvoorbeeld referentie [3] (zie met name vergelijkingen (2.10) en (2.11) en de daarop volgende 5 regels tekst) is bekend, dat, ten opzichte van de brekingsindex van ongepoold polymeer, tengevolge van poling een brekingsindexverandering optreedt, welke in een richting parallel met de polingsrichting steeds twee maal zo groot, en bovendien tegengesteld van teken, is als die in een richting loodrecht op de polingsrichting, en dit onafhankelijk van de polingsparameters. Dit houdt in dat een lichtsignaal, dat propageert door een gebied van dergelijk gepoold polymeer, bijvoorbeeld volgens een richting loodrecht op de polingsrichting, en dat zowel een TE-component als een TM-component bevat, deze polarisatiecomponenten een verschillende optische weglengte zullen ondervinden. De absolute grootte van de brekingsindexverandering tengevolge van poling is evenredig met de mate van poling, of polingsgraad, van het polymeer. Een zo hoog mogelijke polingsgraad wordt bereikt als het polymeer met de hoogst mogelijke pool-spanning wordt gepoold. Uit referentie [4] (zie met name sectie IV. C. "Decay of poling-induced alignment" en FIG. 4) is bekend, dat deze polingsgraad bij kamertemperatuur over lange tijd geen zichtbare verandering vertoont. Bij een verhoogde temperatuur, evenwel nog steeds beneden de g1asovergangstemperatuur, neemt de polingsgraad echter af volgens een typische relaxatiecurve. Dit proces van af nemen van de polingsgraad stopt, als weer wordt afgekoeld tot kamertemperatuur. De onderhavige uitvinding maakt van dit fenomeen gebruik door een dergelijk polymeer op te nemen in een van de takken van een Mach-Zehnder interferometer om na vervaardiging van de struktuur van de component, waarin de genoemde interferometer wordt toegepast, deze vervolgens onder gebruikmaking van het boven aangeduide thermische relaxatie-verschijnsel af te stellen op het gewenste optische weglengte- of faseverschil tussen beide takken van genoemde interferometer voor elk van beide lichtpolarisa-ties. Dat dit gelijktijdig kan, en er derhalve voor de beide polarisaties geen afzonderlijke afstelmogelijkheden nodig zijn berust op hierboven reeds aangehaalde lineaire relatie tussen de beide brekingsindexveranderin-gen, te weten vergelijking (2.10) uit referentie [3]. In poolbare polymeren voldoet derhalve de door poling geïnduceerde anisotropie aan de volgende relaties: Δ n^ = 2/3Δη en Δ nTE = -1/3Δη (1) respectievelijk voor de verhoging van de brekingsindex van de TM-polarisatie en de verlaging van die van de TE-polarisatie, waarbij Δη de totale dubbelbrekendheid uitdrukt. In een golf geleider van gepoold polymeer en met lengte L kan door middel van thermische relaxatie m zo worden ingesteld, dat van een lichtsignaal met golflengte - de TM-polarisatie een faseverschil Δ = ιηπ, en de TE-polarisatie een faseverschil Δ$ΤΕ = ρπ ondervindt, waarbij m-p = 2k-l, en p,k = ±1, ±2, .... Uit (1) volgt, dat dan p = -(2k+l)/3 en m = (4k+2)/3 moeten zijn. Hieraan kan worden voldaan met m (of p) =2, 6, 10,... en p (of m) = -1, -3, -5,....

Dit betekent, dat als zo'n stuk golf geleider wordt opgenomen in een van de takken van de Mach-Zehnder interferometer van een polarisatiesplitserstruktuur, zoals hierboven reeds is aangehaald uit referentie [2], hiermee een passieve component ontstaat welke door middel van een proces van thermische relaxatie achteraf is af te regelen op zijn polarisatiesplitsfunctie.

In poolbare polymeren kan bij een golflengte van 1300nm door poling een Δn = 0,06 worden behaald. Als dit in een van de golfgeleidertakken over een lengte L van 5mm het geval is, dan geldt voor ΔΦΤΜ = 308π. Met het proces van thermische relaxatie kan Δη zodanig worden verlaagd, dat achtereenvolgens ΔΦ^ = 306π, 302π, 298π, ..., 2π; tegelijk is dan ΔΦΤΕ = -Ι53π, -151π, -149π, ..., -π. Het proces wordt gestopt bij een geschikte waarde als afregelwaarde. Bij de volgens dit voorbeeld gekozen golflengte en Δη is er zelfs nog een afregelmogelijkheid voor L = 50μιη, namelijk bij δφ^ = 2π en δφτε = -π.

In Fig. 1 is een struktuurdiagram van een polari-satiesplitser volgens de uitvinding weergegeven. Een inkomende monomodale golfgeleider 1 vertakt zich symmetrisch in twee monomodale takken 2 en 3 van een Mach-Zehnder interferometer tot op een onderlinge afstand D groter dan de interactieafstand om vervolgens weer symmetrisch samen te komen in een bimodale golfgeleider 4. Deze bimodale golfgeleider 4 vertakt zich vervolgens asymmetrisch in twee monomodale golfgeleiders 5 en 6, waarbij bijvoorbeeld golfgeleider 5 een kleinere propaga-tieconstante (in de figuur uitgedrukt door een kleinere breedte) bezit dan golfgeleider 6. In de golfgeleidertak 2 is een afregelsectie 7 van lengte L opgenomen voor het instellen van de faseverschillen waarmee vanuit de inkomende golfgeleider 1 over de beide takken 2 en 3 van de interferometer verdeelde signalen van elk van beide polarisaties TE en TM in de bimodale golfgeleider 4 aankomen.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding heeft de polarisatiesplitscomponent een golfgeleiderpatroon als die weergegeven in Fig. 1, waarin de Y-vormige vertakkingen van de golf geleiders 1, 2 en 3, van de golf geleiders 2, 3 en 4, en van de golfgeleiders 4, 5 en 6 zijn gerealiseerd met cirkelvormig gebogen golfgeleidersecties en waarbij alle golfgeleiders een doorsnedestruktuur bezitten, zoals bekend is uit referentie [1]. De doorsnedestruktuur is weergegeven in Fig. 2, waarbij de golfgeleiders slechts in breedte w kunnen verschillen. Op een substraat 11 bevinden zich de opeenvolgende lagen een vlakvormige eerste electrode 12, een eerste bufferlaag 13, een laag 14 van glasachtig poolbaar polymeer en een tweede bufferlaag 15. De laag 14 omvat een gebied 16, dat is bestraald met UV licht, en een onbestraald gebied 17. De golfgeleiders met een dergelijke doorsnedestruktuur zijn derhalve van het 'dijk'-type (eng.: ridge-type). De breedte van de dijk is bijvoorbeeld 7μιη voor de golfgeleiders 1, 2 en 3, 14μπι voor de golfgeleider 4, 6μιη voor de golfgeleider 5, en 8μιη voor de golfgeleider 6. De lengte B van de bimodale golfgeleider 4 kan beperkt blijven tot ca. 200μιη. De Y-vormige vertakkingen worden gerealiseerd met cirkelboogvormige golfgeleidersecties, bijvoorbeeld volgens cirkelbogen c met een radius R = ca 40.0mm en een booghoek Θ = ca. 0.02rad. Dit is schematisch weergegeven in Fig.3. De golfgeleiders zijn weer genummerd 1 t/m 6. Ongeveer in hun midden, aangeduid met M, hebben de vertakkende golfgeleiders 2 en 3 de grootste onderlinge afstand D tussen de golfgeleiders 2 en 3 ca 0,lmm. De Y-vormige vertakkingen (1, 2, en 3) en (2, 3, en 4) kunnen dan meteen op elkaar aansluiten. De totale lengte van de component kan dan beperkt blijven tot ongeveer driemaal de minimaal benodigde lengte van een Y-vormige vertakking. Als de component tot zo ver gerealiseerd is, wordt vervolgens het poolbare polymeer van de golfgeleider 2 in een gebied A met lengte L lokaal gepoold. Dit geschiedt met behulp van een tijdelijk voor dat doel boven de dijk 18 van de golfgeleider 2 aangebrachte tweede electrode. Bijvoorkeur wordt voor de poling een bij de gekozen laagdikte van het polymeer maximaal toelaatbare poolspanning toegepast, zodat het polymeer ter plaatse een maximale polingsgraad verkrijgt. Het toegepaste polymeer heeft bij een golflengte van 1300nm in bestraalde vorm een brekingsindex van 1,56, in onbestraalde vorm 1,59, en bij genoemde maximale polingsgraad 1,63 voor de TM-polarisatie en 1,57 voor de TE-polarisatie. De lengte L is, zoals uit het voorgaande duidelijk mag zijn, niet kritisch. Zij kan bij de gekozen dimensies bijvoorbeeld 800μιη zijn, zodat het gepoolde gebied van de golfgeleider 2 zich ter weerszijden van het midden M zich over ca 400μιη uitstrekt. Na de op deze wijze verkregen lokale poling, geschiedt het afregelen van de component als volgt:

De component wordt op een verwarmingsplaat gemonteerd. Vervolgens wordt in de inkomende golfgeleider 1 lineair gepolariseerd licht onder een hoek van 45° ingekoppeld. De polarisatietoestand van de aan de uitgaande lichtgolf-geleiders 5 en 6 uittredende lichtsignalen wordt gemeten. Tijdens deze meting wordt de component in zijn geheel opgewarmd tot een temperatuur, welke in de buurt ligt van, maar lager is dan de glasovergangstemperatuur van het toegepaste polymeer (Tg = ca 140°C). De component wordt af gekoeld op een moment, dat aan elk van de uitgaande geleiders 5 en 6 een zuiver gepolariseerd signaal (TE of TM) wordt gemeten. Afhankelijk van de mate waarin de verwarming geschiedt bij een temperatuur al dan niet dichter in de nabijheid van de glasovergangstemperatuur T verloopt het thermische relaxatieproces sneller of langzamer. Als L voldoende groot is gekozen zijn er verscheidene afregelmogelijkheden, en kan eerst het tijdsafhankelijke gedrag van het proces goed worden geobserveerd voordat het wordt gestopt door afkoeling. Het aldus relaxeren van het gepoolde polymeer, in feite een vorm van kunstmatig verouderen, heeft als bijkomend voordelig effect, dat een stabielere gepoolde toestand overblijft.

Er zijn nog verschillende varianten mogelijk, hoewel technisch minder eenvoudig uitvoerbaar. Zo kan bij het afregelen de verwarming zoveel mogelijk lokaal worden beperkt tot het gebied waar het polymeer lokaal gepoold is. Ook kan het hele golfgeleiderpatroon bestaan uit geleiders van gepoold polymeer, waarbij voor de afregeling de polingsgraad van het gepoolde polymeer lokaal door lokale verwarming op een lager niveau wordt gebracht. In weer een andere variant kan het golfgeleiderpatroon zijn gevormd door permanente golfgeleidende kanalen in een geschikt gekozen materiaal, waarbij het gepoolde polymeer als bufferlaag in de directe omgeving van een van de takken van de interferometer is aangebracht, zodat dit plaatselijk de effectieve brekingsindex van de betreffende golfgeleider mede bepaalt. Deze variant is niet verder uitgewerkt.

De golflengte-afhankelijkheid is groot bij een groot faseverschil, dus bij grote L. Deze afhankelijkheid neemt af naarmate wordt afgesteld bij een lagere polingsgraad.

Claims

1. Optische component omvattende - een inkomende golfgeleidende ingangssectie, - een daarop aansluitende Mach-Zehnder interferometer met twee zich van elkaar tot buiten hun onderlinge interactieafstand verwijderende en vervolgens weer samenkomende monomodale golfgeleidertakken, - een daarop aansluitende golfgeleidende uitgangssectie - een bimodale golfgeleidende koppelsectie, en - een daarop aansluitende zich asymmetrisch vertakkende uitgangssectie insluitende een eerste en een tweede uitgaande monomodale golfgeleider, met het kenmerk dat in een van beide golfgeleidertakken buiten genoemde interactieafstand, althans lokaal, een gebied van poolbaar gepoold materiaal is opgenomen.

2. Component volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de ingangssectie wordt gevormd door een monomodale golfgeleider; dat de golfgeleidende uitgangssectie een bimodale golfgeleidende koppelsectie omvat welke zich asymmetrisch in een eerste en een tweede uitgaande monomodale golfgeleider vertakt, en dat de component een polarisatiesplitsfunctie heeft, waarbij een voor genoemde functie benodigd optisch fase-verschil tussen de twee-golfgeleidertakken in de Mach-Zehnder interferometer bestaat tengevolge van de polingsgraad van het poolbare gepoolde materiaal in genoemd gebied.

3. Component volgens conclusie 2 met het kenmerk dat het genoemde gebied van het gepoolde materiaal deel uit maakt van de golfgeleider in de betreffende golfgeleider-tak.

4. Werkwijze voor het afregelen van een afregelbare passieve Mach-Zehnder interferometer opgenomen in een geïntegreerde optische component, welke component omvat een ingangsgolfgeleider, een Mach-Zehnder interferometer met twee zich van elkaar tot buiten hun interactieaf-stand verwijderende en vervolgens weer samenkomende golfgeleidertakken, en een golf geleidende uitgangssectie, waarbij althans lokaal in een van beide golfgeleidertakken poolbaar materiaal met een van te voren door poling verkregen polingsgraad aanwezig is, welke werkwijze de volgende stappen omvat: - het inkoppelen van een specifiek ingangssignaal in genoemde ingangsgolfgeleider, - het voortdurend meten en/of analyseren van een aan de uitgangssectie uittredend uitgangssignaal, - het opwarmen van de component althans ter plaatse van het lokaal aanwezige poolbare gepoolde materiaal tot nabij de glasovergangstemperatuur van het polymeér/-materiaal, - het afkoelen van de component bij het bereiken van een gewenst uitgangssignaal.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij de ingangs-sectie wordt gevormd door een monomodale inkomende golfgeleider, en de uitgangssectie een bimodale golfge-leidende koppelsectie omvat, welke zich asymmetrisch in een eerste en een tweede uitgaande monomodale golfgeleider vertakt, en waarbij voor het af regelen van de interferometer op een polarisatiesplitsfunctie van de component het inkoppelen geschiedt met lineair gepolariseerd licht onder een hoek van 45° in de inkomende golfgeleider, en er wordt afgekoeld als zowel in de eerste als in de tweede uitgaande golfgeleider een in hoofdzaak enkelvoudig gepolariseerd signaal wordt gemeten.