NO180659B - Integrert optisk polarisasjons-splitter - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører området for inte-grerte optiske komponenter. Oppfinnelsen omfatter en integrert optisk polarisasjonssplitter basert på modus-filterprinsippet.

Oppfinnelsen bakgrunn

Optiske polarisasjonssplittere som også er betegnet TE-TM modussplittere, blir f.eks. benyttet i forbindelse med koherente optiske deteksjonssystemer. Slike systemer løser det problem som går ut på at polarisasjonstilstand-en av det lys som bærer informasjonen, hvilket lys van-ligvis blir presentert via en standard monomodus-glass-fiber, kan fluktuere, blant annet på grunn av bruken av det såkalte polarisasjonsavvikssystem (polarisation di-versity (PD) system). I henhold til dette system blir det mottatte lys splittet i to komponenter med innbyrdes vinkelrette polarisasjonsretninger ved hjelp av en polar-isas jonssplitter . De to komponenter blir deretter detek-tert og behandlet separat. Et integrert koherent optisk deteksjonssystem krever selvsagt en optisk polarisasjonssplitter i integrert form. Hittil kjente polarisasjonssplittere har vært basert, blant annet, på prinsippet for modusfiltrering. Dette prinsipp innebærer at i tilfelle av bølgeledere som nærmer seg hverandre, vil det optiske felt som er fordelt i påvirkningsregionen, hvor bølgeled-erne kommer sammen, være avhengig av i hvilken grad de to bølgeledere ligner hverandre.

Dersom disse er like, vil to uavhengige bølger bli fremskaffet i påvirkningsregionen: en såkalt like-modus og en såkalt ulike-modus med lik intensitet. Imidlertid, dersom bølgelederne er forskjellige, det vil si asymmetriske, f.eks. i bredden, ville like- og ulike-modiene ikke bli initiert like intenst lenger: dersom lyset kommer inn via bølgelederen med den laveste utbredelseskonstant, vil like-modusen bli mest intens, men dersom lyset kommer inn via den annen bølgeleder, vil det nettopp være ulike-modusen som blir initiert mer intenst. Dersom asymmetrien mellom bølgelederne nettopp er stor nok, vil bare en modus bli initiert. Imidlertid er forholdet slik at jo større vinkelen er mellom de to bølgeledere, jo større asymmetri er det påkrevet. Nøyaktig det motsatte er gjeldende for bølgeledere som fjerner lyset fra påvirkningsregionen, og derfor fraviker fra hverandre: dersom asymmetrien er tilstrekkelig, vil ulike-modusen fortsette fullstendig i den utgående bølgeleder med den høyeste utbredelseskonstant, og like-modusen nettopp via den annen.

Således vil en asymmetri som foreligger mellom de innkommende bølgeledere fremskaffe en selektiv initiering av like-modus og ulike-modus i påvirkningsregionen, idet en asymmetri i de utgående bølgeledere fremskaffer en selektiv utkobling av like- eller ulike-modusen i hver av de utgående bølgeledere. Retningen av asymmetrien bestemmer hvilken modus som tilhører hvilken bølgeleder. Ved an-vendelse i forbindelse med en polarisasjonssplitter, innebærer dette at asymmetrien er valgt slik at den blir forskjellig med hensyn til fortegn for TE- polarisasjonen i forhold til TM-polarisasjonen under rette vinkler relatert dertil. Dette kan finne sted enten ved inngangssiden eller ved utgangssiden. Dersom utgangssiden er utstyrt på denne måte, og inngangssiden er slik konstruert at den omfatter en inngangskanal som kan lede begge polarisasjoner i den fundamentale modus, vil denne polarisasjonssplitter virke som følger. Den innkommende bølgeleder innfører lys som inneholder både TE- og TM-polarisasjonen. Hver av disse polarisasjoner i den nevnte (like) fundamentalmodus vil deretter bli koblet ut ved utgangssiden via den bølgeleder som har den høyeste utbredelseskonstant for denne polarisasjon. På denne måte vil splitting av polarisasjoner bli gjennomført.

En slik polarisasjonssplitter basert på et modusfilter er kjent fra referanse [1] (se kapittel merket referanser). Denne kjente splitter er anordnet på et substrat av Li-Nb03 (skåret ved null grader) og er basert på en kombina-sjon av en standard optisk bølgeleder fremskaffet ved Ti diffusjon og en polarisasjons-følsom optisk bølgeledende sidegren som er forbundet dermed under en spiss vinkel (0). Den polarisasjons-følsomme optiske bølgeleder blir fremskaffet i/på substratet ved hjelp av en "proton-ut-veksling" (proton-exchange" (PE) prosess. Denne prosess oppnår det resultat at den ekstraordinære brytningsindeks ne er øket ved posisjonen for bølgelederen, mens den ordinære brytningsindeks nQ har avtatt noe. Nevnte Ti-bølgeleder og PE-sidegrenen kan ha innbyrdes forskjellige bredder, og forbindelsen med PE-grenen kan være avfaset.

Imidlertid krever denne kjente polarisasjonssplitter en meget kritisk geometri, og er derfor meget tungvind sett i lys av en produksjons-fremstillingsteknikk. En god splitting av polarisasjonene krever dessuten en meget spiss vinkel ((© ± 0.01 radianer for undertrykkelse av opptil 20.0 dB), med det resultat at den påkrevde mengde er forholdsvis stor.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe en integrert optisk polarisasjonssplitter, også basert på modusfilter-prinsippet, hvilken splitter ikke er beheftet med de ovenfor omtalte ulemper. En optisk komponent for splitting av et innkommende lyssignal i to utgående lyssignaler med innbyrdes vinkelrette polarisasjonsretninger, hvilken komponent omfatter et optisk bølgeledermøns-ter anordnet på eller i et substrat, innbefattende en hovedsakelig polarisasjons-ufølsom første optisk bølge-leder av kanaltypen og i det minste en polarisasjons-følsom annen optisk bølgeleder av kanaltypen som slutter seg til den første optiske bølgeleder som en sidegren under en spiss vinkel, er i henhold til oppfinnelsen karakterisert ved at det optiske bølgeledermønster er sammensatt av et polbart transparent materiale som er i den upolete tilstand i den første optiske bølgeleder og i den polte tilstand i den annen optiske bølgeleder i det minste i den del som forbinder seg direkte med den første optiske bølgeleder.

Oppfinnelsen er basert på den egenskap at et polbart transparent materiale av denne type, slik dette er kjent fra referanser [2] og [3] er polarisajsonsfølsomme i den polte tilstand og er ikke, eller hovedsakelig ikke, pola-risas jons-følsomt i den upolte tilstand. Slik det er kjent fra referanse [3], kan en polymer av denne type også konverteres ved utsettelse for en eksiterende stråling (f.eks. UV-lys) til en tredje tilstand hvori materialet har mistet sin kraft med hensyn til elektro-optisk aktivitet. Dette synes imidlertid å innebære at det har mistet sin polbarhet. Dessuten er det kjent fra denne referanse at stråling også kan fremskaffe en senkning av brytningsindeksen med hensyn til det ikke-bestrålte materiale, noe som innebærer at det materiale som er påvirket av bestråling, forutsatt at det er slik dimensjonert, kan funksjonere som optisk bølgeleder både i polet og ikke-polet tilstand. Fortrinnsvis kan oppfinnelsen da også omfatte det karakteristiske trekk at det optiske bølge-ledermønster er fremskaffet i et tynt lag av polbart glasspolymer ved selektiv bestråling.

En optisk komponent i henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatter følgende fordeler: komponenten er bred-båndet, det vil si at den gode polarisasjonssplittevikrningen strekker seg over et meget stort bølgelengdeområde,

polarisasjonssepareringen er meget god om ikke bedre

enn sammenlignet med kjente TE-TM-modussplittere, produksjonen er enkel og toleransene er forholdsvis

store,

- lengden av komponenten kan være kortere enn hva til-fellet er ved hittil kjente komponenter, noe som er av stor betydning for integrering med andre komponenter,

komponenten tillater korrigering av asymmetrien ved at det gjøres bruk av den elektro-optiske aktivitet for det polariserte materiale for sidegrenen.

Referanser

[1] Nobuo Goto Lam Yip: "A TE-TM mode splitter in LiNb03 by proton exchange and Ti diffusion", J. Lightwave Tech-nology, vol. 7, No. 10. oktober 1989, side 1567-1574.

[2] EP patentsøknad 0290061-A med tittel: Linear addi-tion polymer with hyperpolarisable side groups.

[3] EP paktentsøknad 0344857-A med tittel: Electro-optical component and method for making the same.

Kort omtale av tegningsfigurene

Oppfinnelsen vil nå bli forklart i ytterligere detalj ved hjelp av en beskrivelse av et eksempel på en utførelses-form, hvor henvisninger er gjort til de vedføyde tegn-ingsfigurer. Figur 1 er et skjematisk riss av et optisk bølgeleder-mønster i et grunnriss av en polarisasjonssplitter i henhold til oppfinnelsen. Figur 2 er en skjematisk anskueliggjøring av polarisasjonssplitteren i henhold til figur 1, sett i tverrsnitt langs linjene II.

Beskrivelse av utførelsesform

Fra referanse [3] er det kjent at et transparent polbart materiale, f.eks. en polbar glasspolymer av en kjent type, f.eks. fra referanse [2] blir underkastet ved bestråling med UV-lys, en permanent reduksjon i brytningsindeks med referanse til polar polymer i upolet tilstand. For infrarødt lys (tilnærmet 1300 nm) er denne reduksjon i brytningsindeks av størrelsesorden n = 0.03. Som et resultat av en slik bestråling vil polymeren innta en tilstand hvor den har mistet sin polbarhet, det vil si den kan ikke gjøres elektrooptisk aktiv ved poling. Disse to virkninger er blitt funnet å være like for begge pola-riseringer. En polbar glasspolymer kan befinne seg i to tilstander, nemlig i en upolet tilstand og i en polet tilstand, av hvilke tilstander den upolte er blir funnet å være så å si ikke polarisasjons-følsom, og den polte tilstand meget polarisasjons-følsom. Den optiske polari-sas jonssplitter i henhold til oppfinnelsen er basert på den egenskap, nemlig evnen til å innta disse tre tilstander, (det vil si upolt med redusert brytningsindeks, polbar/upolet og polbar/polet, av hvilke bare en er pola-risas jons-følsom (respektive den polbare/polte tilstand).

En endring i brytningsindeks som polymeren underkastes ved bestråling, og med en størrelsesorden som nevnt ovenfor, innebærer at strimmel-formede optiske bølgeledere kan fremskaffes i et tynt lag av en slik polbar glasspolymer ved selektiv bestråling. Dette innebærer at polar-isas jonssplitteren i henhold til oppfinnelsen kan frem-stilles fullstendig med teknikken kjent fra referanse

[3]. Beskrivelsen av oppbygningen og virkemåten av denne, slik dette fremgår av det følgende, vil derfor være tilstrekkelig. Figurene 1 og 2 viser skjematisk en polarisasjonssplitter i henhold til oppfinnelsen. I denne forbindelse viser figur 1 geometrien av komponenten, mens figur 2 viser komponenten i tverrsnitt langs linjen II-II på figur 1. På substratet 1 i etterfølgende lag befinner det seg en første elektrode 2, et første bufferlag 3, et lag 4 av glassaktig polbar polymer og et annet bufferlag 5. Laget 4 omfatter en region 6 som er bestrålt med UV-lys og en ubestrålet region 7 med en form, slik at det fremskaffes et Y-formet optisk bølgeledermønster 8 av "kam"-typen. Nevnte optiske bølgeledermønster 8 har en innkommende bølgelederseksjon 8.1 og utgående bølgelederseksjoner 8.2 og 8.3. Ved det foreliggende eksempel på utførelsesform er mønsteret valgt slik at de utgående bølgelederseksjon-er hver fraviker hverandre ved hjelp av to motsatt for-løpende, jevnt sammenføyende bend med en radius R og en vinkel 0 fra bølgelederseksjonen 8.1, for deretter å forsette i parallell med sistnevnte på en avstand D. Regionen fra hvilken avgreningen begynner i bølgeleder-mønsteret 8 til der hvor de utgående bølgelederseksjoner 8.2 og 8.3 på nytt forløper parallelt med den innkommende bølgelederseksjon 8.1, er betegnet grensonen 9. Denne grensone har en lengde L = 2RsinØ. Vinkelen 0 er et mål for den effektive lengde ved hvilken bølgelederseksjonene 8.2 og 8.3 grener ut under i grensonen 9. Ved det punkt hvor bølgelederseksjonen 8.1 begynner å grene seg ut i bølgelederseksjonene 8.2 og 8.3, er det anordnet en andre elektrode 10 over (i det minste ved begynnelsen av) bøl-gelederseks jonen 8.3 på det andre bufferlag 5. Polymermaterialet av i det minste det parti av bølgeledersek-sjonen 8.3 som er plassert mellom elektrodene 2 og 10, blir konvertert til den polte tilstand. (F.eks. ved opp-varming av polymermaterialet til over glassovergangstem-peraturen, idet det anvendes en spenning, polarisasjons-spenningen, som genererer et sterkt elektrisk felt i materialet mellom elektrodene 2 og 10 over elektrodene 2 og 10, og deretter avkjøling under bibehold av det elek-triske felt.) Materialet i dette parti av den utgående bølgelederseksjon 8.3 er derfor dobbeltbrytende, noe som resulterer i at brytningsindeksen er avhengig av retningen av lyspolariseringen. Som et resultat av polingen vil brytningsindeksen for TM-polariseringen øke relatert til det upolte materiale, mens motsatt vil indeksen for TE-polarisasjonen avta. Disse endringer i brytningsindeks har direkte følger for utbredelseskonstantene i det optiske bølgeledermønster 8. For en TM-komponent i et lyssignal som er falt inn i den innkommende bølgeledersek-sjon 8.1, vil den polte bølgelederseksjon 8.3 ha den høyeste utbredelseskonstant, mens motsatt vil den upolte bølgelederseksjon 8.2 ha den høyeste utbredelseskonstant for en TE-komponent. Det skal påpekes at bare det parti av bølgelederseksjonen 8.3 opp til det punkt hvor bølge-lederseks jonene 8.2 og 8.3 må optisk frakobles, trenger å være polet.

Den polymer som blir benyttet har en brytningsindeks på 1.56 i den bestrålte form for infrarødt lys (1.3 um) for begge lyspolariseringer, og en brytningsindeks på 1.590 ved den ikke bestrålte upolte form, og en brytningsindeks på en 1.587 i den polte form for TE-polarisasjonen og 1.597 for TM-polarisasjonen.

Ved en polarisasjonssplitter som er fremskaffet på basis av nevnte polymer, omfattende glass som substrat og omfattende passive polyuretan-bufferlag som hver er 2.5 um tykke og en brytningsindeks på 1.523, gullelektroder, et polymerlag som er 2.3 um tykt (= 0.3 um bestrålt og 2.0 um ubestrålt materiale), og et bølgeledermønster hvor R = 40.0 mm, d=7umogD=50.0 um, ble det oppnådd et polarisasjonssplittelses-forhold på > 20 dB. I dette tilfelle er L av størrelsesorden 1.4 mm og © « 0.02 radianer, mens de utgående bølgelederseksjoner befinner seg på innbyrdes avstandsforhold 2D = 0.1 mm. Man kan forven-te at R kan reduseres ytterligere (med en faktor på 2), med det resultat at den aktuelle splitterkomponent opptar meget liten plass, noe som gjør integrering med andre optiske komponenter attraktivt.

Fordi splitteeffekten ikke er basert på en interferromet-risk virkning, er komponenten i prinsippet bredbåndet.

I det første tilfelle kan polarisasjonssplitteren som er omtalt ovenfor, ses på som en passiv komponent, det vil si uten brytningsindeks i det bølgeledermønster som blir påvirket på en hvilken som helst måte, f.eks. ved en elektro-optisk virkning, mens komponenten blir benyttet. 1 forbindelse med en slik passiv komponent er elektrodene 2 og 10 derfor egentlig overflødige og kan fjernes under komponentproduksjonsprosessen etter at den ønskede region av polymeren er blitt polet. Fordi polymeren også er elektro-optisk i den polte tilstand, og når en elektrisk spenning blir påtrykt i henhold til fortegnet for pol-spenningen, vil økningen eller reduksjonen i brytningsindeksen for TM- og TE-polarisasjonene fremdeles kunne intensiveres noe, kan det være fordelaktig å konstruere komponenten som en aktiv komponent ved tilkobling av elektrodene til en regulerbar spenningskilde. Dette gir mulighet for å korrigere, ved hjelp av den elektro-optiske virkning, eventuelle feil som likevel fremdeles kan forekomme med hensyn til asymmetri.

Claims (3)

1. Optisk komponent for splitting av et innkommende lyssignal i to utgående lyssignaler med innbyrdes vinkelrette polarisasjonsretninger, hvilken komponent omfatter et optisk bølgeledermønster anordnet på eller i et substrat, innbefattende en hovedsakelig polarisasjons-uføl-som første optisk bølgeleder av kanaltypen og i det minste en polarisasjons-følsom annen optisk bølgeleder av kanaltypen som slutter seg til den første optiske bølge-leder som en sidegren under en spiss vinkel, karakterisert ved at det optiske bølge-ledermønster er sammensatt av et polbart transparent materiale som er i den upolete tilstand i den første optiske bølgeleder og i den polte tilstand i den annen optiske bølgeleder i det minste i den del som forbinder seg direkte med den første optiske bølgeleder.

2. Komponent som er angitt i krav 1, karakterisert ved at materialet er en polbar glasspolymer med en polbarhet som kan destrueres under eksiterende bestråling, og at det optiske bølgeled-ermønster er anordnet i et tynt lag av nevnte polbare glasspolymer ved selektiv eksiterende bestråling.

3. Komponent som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at komponenten ytterligere omfatter delvis innbyrdes påvirkende første elektroder mellom hvilke ved hjelp av en påtrykt spennings-forskjell, det kan genereres et elektrisk felt som kommer til virkning i det polte materialet av den andre optiske bølgeleder, i det minste ved det parti som er forbundet direkte med det upolte materiale av den første optiske bølgeleder.