SE450173B - Polarisationsoberoende elektrooptisk omkopplare - Google Patents

Description

10 15 20 25 450 173 omkopplare som är något enklare än i föregående referens men som har sämre kopplingsegenskaper. En gemensam stor nackdel för de elektrooptiska kompo- nenterna enligt de två referenserna är att den övre gränsfrekvensen för överförda ljuspulser är låg. Detta beror på att ljusvågledarna är orienterade i förhållande till kristallstrukturen så att två mot varandra vinkelräta polari- sationsriktningar i en ljusvåg pâverkas av skilda brytningsindex i vågledama. De två polarisationsriktningarna fortplantas därför genom vågledarna med skilda hastigheter så att en pulsbreddning uppstår, vilket begränsar den övre puls- frekvensen.

REDOGÖRELSE F ÖR UPPFINNINGEN Ovanstående svårigheter löses enligt uppfinningen genom att välja kritall- materialets orientering och elektrodernas utformning så att en polarisations- oberoende elektrooptisk omkopplare erhålles, vilken kräver begränsad tillverk- ningsnoggrannhet och vilken har hög övre gränsfrekvens. Uppfinningen är kännetecknad såsom framgår av bifogade patentkrav.

FIGURFÖRTECKNING Uppfinningen skall beskrivas närmare i anslutning till en ritning där figur 1 visar en känd elektrooptisk riktkopplare i perspektiv snett ovanífrån, figur 2 visar en uppfinningsenlig riktkopplare i perspektiv snett ovanifrån, figur 3 visar ett tvärsnitt genom den uppfínningsenliga riktkopplaren med sina elektroder, figur 4 visar schematiskt den hexagonala kristallstrukturen hos litiumniobat, figur 5 visar en rotationsellipsoid som beskriver brytningsindexens värden hos litium- niobat, figur 6 visar i perspektiv en genomskärning av riktkopplaren med kristallens axlar orienterade enligt uppfinningen, figur 7 visar i perspektiv schematiskt en riktkopplare med en ytterligare uppfinningsenlig orientering av kristallens axlar och figur 8 visar en uppfinningserilig riktkopplare med delade elektroder.

F ÜREIDRAGEN UTFÖRINGSFORM I figur 1 visas en känd elektrooptisk komponent, en så kallad riktkopplare.

Denna omfattar en enkristallin skiva 1 av elektrooptiskt material, vanligen 10 15 20 25 30 35 450 173 litiumniobat eller lítiumtantalat. Vid sin övre yta 2 har skivan tva vagledare 3 vilka kan åstadkommas genom att titan diffunderas in i skivans yta. Vagledarna har ingangar 4 och utgangar 5 vid skivans bada plana ändytor 6. En ljusvag som genom exempelvis en optisk fiber 7 inkommer pa en av ingangarna 4 kan fördelas mellan utgangarna 5. Detta sker pa känt sätt genom att kopplade elektromagnetiska svängningar uppstar mellan vagledarna 3 längs deras inter- aktionssträcka L. Genom att välja avståndet d mellan vagledarna kan kopplinga- graden mellan vagledarna väljas. Härigenom är det möjligt att variera kopp- lingslängden, som är den längd utmed interaktionssträckan L som fordras för att en ljusvag i den ena vagledaren helt ska koppla över till den andra vagledaren.

Avståndet d kan anpassas sa att kopplingslängden sammanfaller med inter- aktionssträckans längd L, varvid en ljusvag som inkommer pa den ena vag- ledarens ingang avges fran den andra vagledarens utgang. Kopplingsgraden mellan vagledama kan paverkas genom att kristallens brytningsindex förändras av ett elektriskt fält som palägges mellan elektroder 8 längs interaktions- stäckan L. Fältstyrkan kan väljas sa att kopplingen mellan vagledarna upphör, varigenom en ljusvag som inkommer pa den emvagledarens ingang avges fran samma vagledares utgang. Som nämnts ovan är det härvid ett önskemal att kunna styra den inkommande ljusvagen mellan riktkopplarens utgangar obe- roende av ljusvagens polarisationstillstand. Det är ocksa ett önskemal att riktkopplaren skall vara enkel och tillata hög pulsfrekvens hos den inkommande ljusvagen.

Ovanstaende önskemal uppfylles genom en riktkopplare vilken skall beskrivas i anslutning till ett utföringsexempel som visas i figur 2. Riktkopplaren omfattar pa känt sätt en skiva ll av elektrooptiskt material vilken vid sin övre plana yta 12 har tva vagledare 13. Dessa har ingångar 14 och utgangar 15 vid skivans ändytor 16. Enligt uppfinningen är skivan ll orienterad pa ett bestämt sätt i förhållande till kristallstrukturen sasom skall beskrivas i anslutning till figu- rerna 4, 5 och 6. Riktkopplaren har, även detta enligt uppfinningen, pa den övre ytan 12 längs vagledarnas interaktionssträcka Ll I huvudelektroder 17 och bielektroder 18 vilka visas i genomskärning i figur 3. Vagledarna 13, vilka har nagot större brytningsindex än kristallmaterialet i skivan, täckas av ett buffertlager 19. Dettas brytningsindex är nagot lägre än för skivans material och medför att ljuset far en mera enhetlig effektfördelníng över vagledarnas 13 tvärsnitt. Exempel pa lämliga material för buffertlagret är kadmiumoxid eller 10 15 20 25 30 35 450 173 kiselnitrid för en riktkopplare av litiumniobat. Buffertlagret täckes av huvud~ elektroderna 17 vilka genom elektriska anslutningsledningar 21 kan förbindas med en spänningskälla med polspänningen Uh. Då denna spänningskälla är ansluten löper i kristallen ett elektriskt huvudfält Eh mellan huvudelektroderna vilket passerar genom vågledarna och påverkar dess brytningsindex. Bielektro- derna 18 sträcker sig pa skivans yta parallellt med huvudelektroderna på avstånd fran dessa och är försedda med elektriska anslutningsledningar 22.

Anslutningsledningarna 21 och 22 kan parvis anslutas till spänningskällor med polspänningarna Ul respektive UZ, varvid elektriska bifält El respektive Ez alstras vilka löper genom de respektive vågledarna 13. Det elektriska huvud- fältets Eh riktning skiljer sig från de elektriska bifältens riktningar i de respektive vågledarna. Det resulterande fältets riktning genom vågledarna kan justeras genom att spänningarna Ul respektive UZ till bielektroderna förändras.

Betydelsen av denna justeringsmöjlighet kommer att förklaras nedan i an- slutning till figur 6.

Ovan nämndes att skivan ll enligt uppfinningen skall ha en bestämd orientering i förhållande till kristallstrukturen hos materialet i skivan. Kristallstrukturen för detta material, exempelvis litiumniobat, visas schematiskt i figur 4. Här visas ocksa orienteringen av ett rätvinkligt högerkoordinatsystem X, Y, Z i för- hållande till den för materialet normalt använda hexagonala enhetscellen och det därmed förbundna kristallografiska a, b, c koordinatsystemet. Axlarna i detta koordinatsystem har valts sa att X-axeln pekar i den kristallografiska a- axelns riktning och Z-axeln i den kristallografiska c-axelns, den optiska axelns, riktning. En närmare beskrivning av kristallstrukturen för litiumniobat åter- finnesi exempelvis J.Phys. Chem. Solids, Pergamon Press 1966, Vol 27, pp. 997- l0l2,"Ferroelectric Lithium Niobateå. Single Chrystal X-ray Diffraction Study at 24°C."Litiumniobat är dubbelbrytande och dess brytningsindex beskrives av en rotatlonsellipsoid såsom visas i figur 5. Ellipsoidens skärning med X-Y-planet är en cirkel och dess skärning med X-Z-planet är en ellips vars storaxel är cirkelns diameter. En monokromatisk ljusstråle P1 i Z-axelns riktning påverkas i kristallen av ett brytningsindex vars storlek motsvarar cirkelns radie. Bryt- ningsindexets storlek är oberoende av ljusstrålens polarisationsriktning och alla polarisationsriktningar hos ljusstrålen utbreder sig genom kristallen med samma hastighet. En planpolaríserad monokromatisk ljusstrale P2 i X-Y-planet pâverkas av ett brytningsindex vars storlek beror av polarisationsplanets Pl 10 15 20 25 30 35 450 173 lutningsvinkel QCi förhållande till X-Y-planet. Ljusstralar med samma riktning men med skilda polarisationsplan utbreder sig genom kristallen med skilda hastigheter. Detta medför för en ljuspuls som innehåller ljus med skilda polarisationsriktningar att pulsen kommer att breddas da den passerar kristallen om ljusstralens riktning avviker starkt fran Z-axelns riktning. Pulsbreddningen begränsar i sin tur den högsta pulsfrekvensen med viken en komponent av kristallmaterialet kan arbeta. För att erhalla en komponent med hög övre pulsfrekvens väljes skivans ll orientering sa att vagledarnas 13 riktning huvudsakligen sammanfaller med Z-axeln sasom med ett exempel visas i figur 6.

De tva svängningsmoderna hos ljusvag, TE-moden med polarisationsplanet vinkelrätt mot den övre ytan 12 och TM-moden med polarisationsplanet i den övre ytans plan, har härvid gemensam utbredningshastighet i vagledarna 13.

I anslutning till figur 1 nämndes att kopplingsgraden mellan riktkopplarens vagledare 3 kan pâverkas genom ett elektriskt fält i kristallen. Det elektriska fältet förändrar den i figur S visade brytningsindexellipsoidens form, vilket vid svaga elektriska fält benämnas Pockelseffekten. En närmare beskrivning av denna effekt återfinnas i Kaminov "An introduction to electroptic devices", Academic Press, New York and London 1974. Förändringen beskrivas mate- matiskt i det allmännaste tredimensionella fallet genom en tredje rangens tensor med 27 tensorelement. Dessa betecknas vanligen rn* där indexen i,j och k kan anta värdena 1,2 eller 3. indexen hänför sig till ett rätvinkligt höger- koordinatsystem med axlarna xrxz och X3 vars riktningar här väljas sa som i figur 6. xl-axeln är parallell med den övre ytan 12 och vinkelrät mot vagledaren 13, xz-axeln är vinkelrät mot den övre ytan 12 och x3-axeln är parallell med vagledarna 13. Tensorelementen rn* har den fysikaliska dimensionen längd per elektrisk potentialskillnad (meter per volt) och är ett matt pa den förändring av kopplingsgraden mellan svängningsmoderna som det elektriska fältet åstad- kommer. Det allmänaste fallet, där tensorns alla 27 element är av intresse, förenklas avsevärt i det specialfall som berör föreliggande uppfinningsenliga riktkopplare. Enligt figur 6 sträcker sig vagledarna i xj-axelns riktning sa att en ljusvag i vagledaren har elektriska fältvektorer endast xl-XZ-planet. Likaså har de mellan elektroderna palagda elektriska fälten El, Ez och Eh komponenter efidast i Xl-XZ-planet sasom visas i figur 3. Problemet är därmed reducerat till tva dimensioner och antalet element ri] k av intresse reduceras till 8 nämligen 7 112,11 '1z,z' ”21,1' f21,2' '11,1' ”11,2' “22,1 °°h '2z,z. Antalet examen: 10 15 20 25 30 35 450 173 reduceras ytterligare da det av symmentriskäl gäller att rlzl = rzlyz och att rlz, 2= rzLz. De aterstaende tensorelementen ri hk beskriver hur brytnings- indexet i skivan ll enligt figur 2 och figur 6 förändras av de yttre elektriska fälten Eh, El och Ez. Dessa förändringar av brytningsindexet inverkar pa kopplingsgraden mellan de tva svängningsmodena, TM-respektive TE-moden, utmed de tva vagledarnas 13 interaktions sträcka Ll. Tensorelementens storlek vid skilda orienteringar av skivan ll bestämmas genom koordinattransforma- tioner mellan de tva koordinatsystemen X, Y, Z och xl, xz, och X3. Som nämnts ovan är det ett önskemal att riktkopplaren skall vara polarisationsoberoende.

Enligt uppfinningen uppfylles detta önskemal genom att den enkristallína skivans ll orientering väljas pa följande sätt. Tensorelementet 111,2, vilket beskriver den brytningsindexförändring som avgör kopplingen mellan TE-modena i de tva vagledarna 13, far samma absolutbelopp som tensorelementet rzzz, vilket pa motsvarande sätt avgör kopplingen mellan TM-modena. Tensor- elementen rllul, r22,l och rlzvz far alla värdena 0. Genom att utföra de nämnda koordinattransformationema kan visas att sadåna val av tensorelement är möjliga för de ifragavarande elektrooptiska kristallmaterialen. Det visar sig emellertid härvid att elementet rlzl, vilket avgör kopplingen mellan TM- och TE-modena, blir skilt fran Û. Om denna koppling mellan de tva skilda moderna föreligger innebär detta att riktkopplaren inte är polarisationsoberoenda. Enligt uppfinningen motverkas denna koppling med hjälp av de elektriska bifälten El och EZ vilka beskrivits i anslutning til] figur 3. Bifältens styrka kan förändras sa att det resulterande fältets riktning genom vagledarna 13 är vinkelrätt mot den enkristallina skivans ll övre yta 12. Den paverkan pa kristallens brytningsindex som representeras av tensorelementet rlzl upphäves hërigenom sa att kopplingen mellan TM-och TE-modema helt uteblir. Genom ovanstående val av orienteringen hos den enkristallina skivan ll uppfylles inte endast kravet att riktkopplaren blir polarisationsoberoende utan även kravet att vagledarnas riktning huvudsakligen sammanfaller med den optiska axelns riktning sasom nämndes i anslutning till figur 5 och som skall närmare beskrivas för en riktkopplare av litiumniobat. Da de ovannämnda koordinattransformationerna mellan systemen xl, X2 X3 och X, Y, Z genomföras för detta material erhalles huvudsakligen tva skilda orienteringar av den enkristallina skivan. I figur 6 visas den ena av, dessa orienteringar vid vilken X-axeln har samma riktning som xl- axeln, Y-axeln har samma riktning som xz-axeln och Z-axeln har samma riktning som x3-axeln. Tensorelementen har härvid följande värden 10 15 20 25 3D 450 173 r11,1=° ”22,1=° "12,1=-5,7x1o Pl2,2=Ü _12 rlLf-Sfixlü m/v =5,7x1o'12 'lzm/ v rzzqz m/v.

Pa grund av symmetriegenskaper hos litiumniobat finns det ytterligare oriente- ringar av den enkristallina skivan ll som är ekvivalenta med den i figur 6 angivna orienteringen. Z-axeln har härvid oförändrad riktning och X-axeln har sex lägen med 60 graders delning varav ett läge är det i figur 6 visade. I figur 7 visas den andra av dessa tva orienteringar. En enkristallin skiva 31 har vid sin övre plana yta 32 vagledare 33 pa det sätt som beskrivits i anslutning till figur 6 och koordínatsystemet xl, xz, X3, är orienterat sa som beskrivits i denna figur.

Det kristallografiska koordinatsystemet X, Y, 'Z är orienterat pa följande sätt.

X-axeln är parallell med xl-axeln och pekar i dess negativa riktning. Z~axeln ligger i xz-xj-planet och avviker uppat fran x3-axeln en vinkellß =l0,15°.

Tensorelementet har härvid följande värden info rzzfo r -12 l2,l=ll,25XlÛ m/v Fl2,2=Û ._12 r =7,4xl0 m/v HJ -12 m/v. r22,2=7,4xlO Pa grund av symmetriegenskaperna hos litíumniobat finns det även här ekvi- valenta orienteringar av den enkristallina skivan 3. Z-axeln har härvid den i figur 7 visade riktningen eller ligger i xz-xïplanet och är riktad nedat vinkeln sa som antydes med den streckade pilen. X-axeln har lägen med 60 graders delningßvarav ett läge är det i figur 7 visade med X-axeln parallell med skivans övre yta.

Vid de ___tva ovan beskrivna utföringsexemplen för riktkopplare av litiumniobat gäller den angivna orienteringen av den enkristallina skivan och tensorele- mentens storlek om ljusvaglänguden Ä :lß/.a-n. l bada exemplen utbreder sig ljuset i vagledarna huvudsakligen i den optiska axelns, Z-axelns, riktning sa att ljusvagor med skilda polarisationsriktningar utbreder sig med samma hast- 10 15 450 175 het. De tva tensorelementen rlLz och x-ZZJ har samma absolutbelopp, sa att kopplingen mellan TE-rnodena respektive TM-modena i de tva vagledarna förändras i samma grad av de elektriska fälten genom vagledarna. Tensor- elementet rlzl är skilt fran noll men dess verkan upphäves av de elektriska bifälten El och Ez. Riktkopplaren blir härígenom polarisationsoberoende och har hög övre gränsfrekvens. Riktkopplaren har fördelen att dess tillverkning kräver endast begränsad noggrannhet. Mindre avvikelser i elektrodernas form kan kompenseras genom att de elektriska bifältens styrka förändras.

Uppfinningen kan tillämpas pa en riktkopplare 40 vars huvuvelektroder 41 och bielektroder 42 är uppdelade i sektioner ÅL utefter en interaktionssträcka Lz, sa som schematiskt visas i figur 8. En beskrivning av elektroder av denna typ aterfinnes i IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. GE -l2, No.7, July 1976, H. Kogelnik and R. Schmidt: "Switched Directional Couplers with Alternating AP". Dessa elektroder har fördelen att kraven pa noggrannhet vid tillverkning av elektroderna är relativt laga. #21

Claims (4)

10 15 2D 450 173 PATENTKRAV

1. Polarisationsoberoende elektrooptisk omkopplare omfattande en enkristallin skiva av elektrooptiskt material vilken vid sin övre yta har ljusvagledare samt elektroder längs en interaktionssträoka hos ljusvâgledarna varvid skivans kristallmaterial har en optisk axel, den kristallografiska c-axeln, för vilken brytningsindexet har ett bestämt värde sa att en i den optiska axelns riktning infallande ljussgàle pâverkas av detta brytningsindex oberoende av ljusstralens polarisationsriktning och kristallens brytningsindex i övriga riktningar är bestämt av en brytningsindexellipsoid vars rotationsaxel är den optiska axeln och kristallen har en mot den optiska axeln vinkelrät axel, den kristallografiska a-axeln, som är definierad av kristallgittret'kännetecknad därav att elektro- derna omfattar huvudelektroder (17), vilka huvudsakligen täcker vagledarna (13) längs interaktionssträckan (Ll), och bielektroder (18) pa avstånd fran huvud- elektroderna (17) varvid huvudelektroderna ligger mellan bielektroderna sa att med hjälp av elektroderna kan alstras elektriska fält (Eh, El, Ez) vars resultant i vardera vågledaren är vinkelrät mot den övre ytan (12) och att den optiska axeln (c, Z) ligger i ett plan (x2-x3) som innehåller vagledarnas (13) längd- riktning och är vinkelrätt mot den övre ytan (12) och den optiska axeln (c, Z) är riktad mellan tvâ ytterlägen av vilka det ena är parallellt med den övre ytan (12) och det andra med den övre ytan bildar en vinkel (f) som är mindre än femton grader, varvid nämnda a-axel kan inta sex alternativa lägen vilka ligger med sextio graders delning varav ett är parallellt med den övre ytans(12) plan.

2. Polarisationsoberoende elektrooptisk omkopplare enligt patentkrav 1 känne- tecknad därav att den optiska axeln (c, Z) är parallell med skivans övre yta (12).

3. Polarisationsoberoende elektrooptisk omkopplare enligt patentkrav 1 känne- tecknad därav att vinkeln (e) mellan den övre ytan (12) och den optiska axeln (c, Z) är 10,15 grader så att omkopplaren är anpassad för ljusväglängden lJ/um.

4. Polarisationsoberoende elektrooptisk omkopplare enligt nagot av patent- kraven 1 - 3 kännetecknad därav att materialet i nämnda enla-istallina skiva (ll) utgöres av litiumniobat.