SE459698B - Polarisationsoberoende opto-elektrisk omkopplare - Google Patents

Description

1D 15 20 25 459 698 2 Technology, Vol. LT-2 No 1 February 1984, Leon McCaughan "Low-Loss Polarisation Independent Electrooptical Switches at Å = 1,3 fun" föreslas en polarisations oberoende optisk omkopplare som är nagot enklare än i föregående ._ referens men som har större överhörning mellan ljusvagledarna. En ytterligare E polarisationsoberoende optisk omkopplare föreslas i IEEE Journal of Guantion Electronics, Vol. GlEl7, No 6, June 1981, sidorna 959-964, N. Tsukada och T.

Nakayama: "Polarization-Insensitive Integrated-Optical Switches:A New Appro- ach". l denna publikation besrkivna omkopplare har tva sektioner i interaktions- omradet med tva skilda typer av elektroder. Dessa elektroder är vardera uppdelade i ett stort antal mindre elektroder och riktkopplaren är komplicerad att tillverka. Förutom de ovannämnda nackdelarna med stor komplexitet och höga krav pa tillverkningsnoggrannhet har manga kända polarisationsoberoende optiska riktkopplare ocksa den nackdelen att de kräver höga drivspänningar.

Detta kan vara en svarighet vid manga tillämpningar.

REDOGÖRELSE F ÖR UPPFINNINGEN Ovanstaende nackdelar undvikes genom en polarisationsberoende optoelektrisk riktkopplare enligt uppfinningen vilken kan styras med måttliga drivspänningar och vilken har elektroder och ljusvagledare av enkelt utförande vilka kan framställas med laga krav pa tíllverkningsnoggrannhet.

Riktkopplaren har de kännetecken som framgår av bifogade patentkrav.

FIGURFÖRTECKNING _- _ Ett utföringsexemp-el av en-uppfinningsenlig riktkopplare skall närmare be- skrivas nedan i anslutning till en ritning pa vilken Figur 1 visar en riktkopplare i perspektivvy snett ovanifran, Figur 2 visar riktkopplarens interaktionsomrade i planvy uppifran med elektro- der och ljusvagledare, Figur 3 visar en tvärsektion genom riktkopplaren i interaktionsomradet, Figur Isa, lab och lac visar diagram med elektriska fält genom ljusvagledarna, Figur 5 visar i perspektivvy schematiskt en enhetscell för kristallstrukturen hos litiumníobat Figur 6 visar ett diagram över rikttkopplarens kopplingstillstand och 5 10 15 20 25 30 3 459 698 Figur 7 visar ytterligare ett diagram över riktkopplarens tillstånd.

F ÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM En polarisationsoberoende optoelektrisk omkopplare enligt uppfinningen visas schematiskt i perspektivvy figur 1. En enkristallin skiva 1 av exempelvis litium- niobat eller litíumtantalat har på sin övre yta 2 tva ljusvågledare 3 och 4. I ett avlångt interaktionsområde med en längd Ll, i vilket ljusvågledarna ligger relativt nära intill varandra, har omkopplaren elektroder vilka är sex till antalet och betecknas med siffrorna 5, 6, 7, 8, 9 och 10. En ljusvåg P som inkommer till ljusvågledarens 3 ingång kan med hjälp av elektroderna kopplas till utgången hos endera ljusvågledaren 3 eller 4. Ljusvågen är godtyckligt polariserad och innehåller ortogonala svängningsmoder hos ljuset, TE-moden och TM-moden, vilka båda kan omkopplas så som skall beskrivas närmare nedan. Ett XYZ- koordinatsystem anger kristallriktningarna hos den enkristallina skivan 1. Kri- stallstrukturen för skivans material visas schematiskt i figur 5. Här visas också 'orienteringen av det rätvinkliga koordinatsystemet XYZ l förhållande till den för materialet normalt använda hexagonala enhetetscellen och det därmed förbundna kristallografiska a, b, c-koordinatsystemet. Axlarna l detta koordi- natsystem har valts så 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- finnes i exempelvis J.Phys.Chem. Solids, Pergamon Press 1966, Vol 27, pp.997- 1012, "Ferroelectric Lithium _Niobate.3. Single Chrystal X-rayDiffraction Study a: 24%." I figur Z visas närmare i detalj elektrodernas och ljusvågledarnas utseende i interaktionsområdet för riktkopplaren av den valda utföringsformen. I inter- aktionsområdets mittparti, vilket har en längd L2, har ljusvågledarna 3 och l: delar 3a och 4a vilka är parallella med varandra. I interaktionsområdets mittparti har mellanrummet mellan ljusvågledarna 3a och ba en bredd D. Vid ínteraktionsomradets båda ändar har ljusvågledarna 3 och 4 bågforrnade delar' 3b och ltb vilka böjer av utåt åt varsitt håll. De bågformiga delarna 3b och lab är enligt utföringsexemplet cirkelbågformade med en radie R. Av de sex elektro- derna 5-10 ligger två mittelektroder 6 och 9 i mellanrummet mellan ljus- vågledarna, två ytterelektroder 5 och 10 på ena sidan om ljusvågledarna 3 och 1D 15 20 25 3D 459 698 4, och tva ytterelektroder 7 och 8 på andra sidan om bada ljusvågledarna.

Elektroderna är spegelsymmetriska kring en mittlinje genom ihteraktionsom- rådet i tvärriktningen av ljusvågledarnas parallella delar 3a och 1:a. mittlinje uppdelar elektroderna i två sektioner S1 och S2, änden vid interaktionsomradet.

Denna en sektion vid vardera De av de längsgående kanterna hos elektroderna 5 tom 10 som vetter mot en av ljusvagledarna 3 och 4 följer ljusvågledarnas konturlinjer. Elektrodernas kanter ligger på ett litet avstånd från dessa kontur- linjer så att ett område med en bredd D1 omkring 1 /qm uppstår mellan elektroderna och ljusvàgledarna.

En tvârsektion av riktkopplaren enligt figur 1 och figur 2 framgår av figur 3.

Tvärsektionen är vald i ett snitt F-F genom elektroderna S, 6 och 7, och genom de parallella delarna 3a och (la av ljusvågledarna 3 och 4. Dessa är som nämnts indiffunderade i skivans l övre yta, vilken är belagd med ett buffertskikt av exempelvis kvarts.Ovanpå buffertskiktet 11 ligger riktkopplarens elektroder av vilka elektroderna 5, 6 och 7 i den ena elektrodsektionen S1 visas i figuren. En spänningskälla 12 är med sin positiva pol ansluten till mittelektroden 6 och med sin negativa pol ansluten till dels den positiva polen hos en spänningskälla 13, dels den negativa polen hos en spänningskälla 14. Spänningskällan 13 är med sin negativa pol förbunden med ytterelektroden 5 och spänningskâllan 14 är med sin positiva pol förbunden med ytterelektroden 7. Spänningskällorna alstrar med hjälp av elektroderna horisontellt riktade elektriska fält E1, E2 och E3 genom ljusvagledarna 3 och 4. Elektroderna 8, 9 och 10 i den andra elektrod sektionen S2 är anslutna till spänningskällor såsom visas i figur 2. En spânningskälla 15 är med sin negativa pol ansluten till mittelektroden 9 och med sin positiva pol ansluten till dels den positiva polen hos en spänningskälla 16, dels den negativa polen hos en spänningskälla 17. Spânningskällan 16 är med sin negativa pol ansluten till ytterelektroden 10 och spänningskällen 17 är med sin positiva pol ansluten till ytterelektroden 8. Dessa spänningskällor alstrar elektriska fält genom vågledare 3 och 4 på motsvarande sätt som spänningskällorna 12, 13 och 14 enligt beskrivningen ovan till figur 2.

I figur lia visas närmare utseendet hos de elektriska fälten El och E_2 i ljusvågledarna 3a och 1:a. Figur db visar utseendet av de elektriska fältet EB i dessa ljusvagledare och figur lsc visar summafältet E av de elektriska fälten El, EZ och E3. Abskissans riktning i de tre diagrammen sammanfaller med den 10 15 2D 25 3D 35 459 698 ovannämnda kristallografiska Z-axeln. De elektriskafälten El och EZ, vilka alstras av spänningskällan 12, åstadkommer en asymmetrisk störning av ljus- utbredningskonstanterna i vâgledarna. Denna asymmetriska störning ger upphov till en s.k -modulering av riktkopplaren sa som beskrivas i exempelvis Journal of Optical Communications, 50984) 4, sidorna 122-131, l-LF Schlaak:"Modulation Behaviour of lntergrated Optical Directional Couplers".

Fältet E3 åstadkommer en jämn störning av ljusutbredningskonstanterna och ger upphov till en s.k__¿\l'( -modulering av riktkopplaren, vilket även detta be- skrives i den nämnde referensen Journal of Optical Communications. De elektriska fälten genom ljusvägledarnas bâgformade delar 3b och lsb har huvudsakligen samma utseende som i figurerna lla, lib och llc. Kopplingen mellan ljusvâgledarna pâverkas emellertid av dessas inbördes avstånd och genom att avstånden successivt ändras åstadkommas en vägd koppling mellan ljus- vagledarna. Denna vägde koppling finns beskriven i exempelvis den ovannämnda referensen AppLPhysJett 1979 av R.C. Alferness. De visade elektriska fälten El, E2, E3 i riktkopplarens sektion Sl motsvaras av elektriska fält i sektionen S2, där emellertid spänningskällan 15 har motsatt polaritet mot spânningskällan 12 i sektion l.

Funktionen hos den ovan beskrivna uppfinningsenliga omkopplaren skall nu beskrivas under referens till en artikel i IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. Gli-12, No.7, July 1976, sidorna 396-401, H. Kogelnik och R.V Schmidt: "Switched Directional Couplers with AlternatingÅ/Û". l denna artikel visas i dess figur 4 ett diagram vilket beskriver principen för kopplingen mellan ljusvagledarna hos en riktkopplare med tva elektrodsektimer. Den i artikeln beskrivna riktkopplarens enkristallina skiva har en orientering av kristallaxlarna X, Y, Z vilken avviker från den kristallorientering som beskrivits ovan för riktkopplaren enligt figur 2. Diagrammet gäller emellertid, åtminstone princi- piellt, även för föreliggande riktkopplare och ett motsvarande diagram visas i figur 6. Diagrammets abskissa är graderad i normerade enheter därÅß be- tecknar den nämnda missanpassningen hos ljusutbredningskonstanterna i vag- ledarna. Ll betecknar som ovan interektionsomradets längd och LC pà ordi- natan betecknar kopplingslängden. En kurva Cl utmärker lägen i diagrammet för vilka riktkopplaren är i sitt korskopplingstillstand, vilket markerats med en symbol ® invid kurvan Cl. Tva kurvor CZ och C3 utmärker lägen i dia- grammet för vilka riktkopplaren är i sitt genomkopplingstillstand, vilket mark- 1D 15 20 25 30 35 459 698 i 6 erats med en symbol ê . De bada polarisationerna hos den inkommande ljusvagen P enligt figur 1, TE-respektive TM-moderna, har skilda kopplinge- längder såsom nämnts ovan. För den uppfinningsenliga riktkopplaren är Ll vald nagot större än kopplingslängden LC för TE-moden. Detta är markerat med en punkt Al i figur 6 och med en punkt Bl är markerat det motsvarande läget för TM-moden. Vid de i figuren visade exemplet är Ll/LC = 1,2 för TE-moden och Ll/LC = 2,9 för TM-moden. Vid punkterna Al och Bl är alla elektroderna 5 tom 10 spänningslösa. Bade TE-rnoden och TM-moden för den inkommande ljusvagen P pa ljusvagledaren 3 överkopplas till en dei till vagledaren 4, medan en del av ljusvagen förblir i vagledaren 3. För att fa en fullständig överkoppling till vagledaren 4, korskopplingstillstand, anslutas spänningskällorna 12 tom 17 enligt figur 2 till elektroderna. Spänningskällorna 12 och 15 har härvid en spänning V0 vilken genom Ålß -rnoduleringen förskjuter riktkopplarens tillstànd till en punkt A2 för TE-modenoch en punkt BZ för TM-moden. Dessa förskjutningar har olika storlek för de båda moderna beroende pa skilda storlekar hos r- koefficienterna enligt den ovannämnda referensen i Journal of Optical Commu- nications. Vid föreliggande riktkopplare av X-skurel: litiumniobat har r-koef- ficienten för TM-moden storleken. ru = 10 x lfflz m/V medan motsvarande koefficient för TE-moden år r” :30 x 10-12 m/V för ljus med våglängd av storleken l/am. Spänningkållorna l3,14,l6 och 17 har en spänning l/2Vl och förskjuter genomAK -modulering riktkopplarens tillstånd till en punkt A3 för TE-moden och en punkt 83 för TM-moden. Punkterna A3 och 83 ligger båda på kurvan Cl för korskopplingstillstandet. Genom en lämplig intällning av spän- ningarna VU och V1 kan pàdetta sätt korskopplingstillstandet nas med mycket liten överhörning mellan ljusvagledarna 3 och 4. För att na genomkopplings- tillståndet ökas spänningen hos spänningskällorna 12 och 15 till ett värde V2 och spänningskällorna 13, 14, 16 och 17 kortslutes. Härigenom förskjutes rikt- kopplarens tillstånd till en punkt 84 för TM-moden på kurvan G3. Rikt- kopplarens genomkopplingstiilstand för TE-moden beskrivas under hänvisning till figur 7. Denna figur visar ett diagram motsvarande diagrammet i figur 6 med grânslinjer CM för det sammanhängande omrâde, i vilket riktkopplaren har genomkopplingstillstànd med en överhörníng mindre än -20dB. Detta område har i figur 7 markerats med en skuggning närmast abskissan. Axlarnas gradering ansluter sig till graderingen enligt figur 6 och kurvorna CZ och C3 är markerade. Tillståndet för TE-moden förskjutes till en punkt A4, varvid sträckan Al-A4 är omkring tre gånger sa lang som sträckan 81-84 beroende pà 10 15 2D 25 30 7 459 698 storleken hus r-koefficienterna sasom nämnts ovan. Riktkopplaren har inställts i sitt genornkopplingstillstånd endast genom användande avÅ -rnodulering. Även vid detta tillstànd kan emellertid ÅK-moduleríng utnyttjas för att exempelvis förskjuts tillståndet för TE-moden från punkten A4 till en punkt AS med mindre överhörning.

Vid manga tillämpningar av riktkoppiare är det önskvärt att kunna fördela en inkommande ijusvåg mellan riktkopplarens utgångar med lika stor energi till bada utgangarna, s.k 3-dB koppling. Med hjälp av den ovan beskrivna rikt- koppiaren kan en sådan fördelning ske. Spänningskällorna 12 och 15 enligt figur 2 har härvid en polspänning V3, vilken åstadkommer en A/ß-modulering, och spänningskäilorna 13, 14, 16 och 17 har en polspänning Vä vilken åstadkommer en AK-modulering. Genom lämpligt val av polariteten och storleken pa spänningarna V3 och V4 kan riktkoppiarens kopplingstilistånd förskjuts till ett tillstànd med 3-dB koppling för både TE-moden och TM-moden hos den inkommande Ijusvàgen P. Även andra önskade kopplingstillstånd kan nås genom val av spänningskäilornas polspänningar och polariteter, vilka i' allmänhet avviker fràn de polariteter som visas i figur 2.

En alternativ utföringsform av riktkopplaren enligt figurerna l och 2 erhålles med ljusvågledarna 3 och 4 raka och parallella i hela interaktionsomradet Ll.

Härvid utnyttjas inte den vägda kopplingen mellan ljusvagiedarna och storleken hos omradet i figur 7 med överhörning mindre än -ZÛdB minskar. Vid ytterligare utföringsformer avviker elektrodernas utformning från den utformning som visas i figuren 2. Elektroden 5 kan vara förbunden med eiektroden 10 samtidigt som elektroden 7 är förbunden med elektroden 8. Även mittelektroderna 6 och 9 kan vara förbundna med varandra om ytterelektroderna 5 och 10 respektive 7 och 8 är uppdelade i sektionerna S1 och S2 såsom visas i figuren 2. Elektro- dernas kanter kan också tillåtas skjuta ut över ljusvågledarna sa att ett smalt kantparti av ljusvägledarna täckes. i motsvarighet till vad som visas i den ovannämnda referensen i Journal of Quantum Electronics 1976, H. Kogelnik och R.V. Schmidt, kan en uppfinningsenlig riktkopplare ha flera sektioner än de två, S1 och S2, som visats i figur 2.

En riktkopplare av lítiurnniobat av det alternativa utförandet med raka ljus- 1D 15 20 25 459 698 vagledare i hela interaktionsomradet undersöktes experimentellt. För denna riktkopplare var längden LI = 10 mm, LI/LC = 1,2 för TE-moden och LI/LC = 3,1 för TM-moden. Överhörningen blev mindre än -24 dB för bada moderna i bade korskopplings- och genomkopplingstillstandet. Korskopplingstillstandet nåddes vid spänningarna Vi) = ZV och V1 = BOV och genomkopplingstillstàndet nåddes vid spänningen V2 = ZÛV.

Den ovan beskrivna riktkopplaren har flera fördelar jämfört med kända polar~ isationsoberoende riktkopplare. Ljusvagledarna är vid riktkopplare normalt bag- formade vid sina ändar utanför interaktionsomradet för att öka avståndet och upphäva kopplingen mellan vagledarna. Dessa bagformade delar av ljus- vagledarna kan enligt uppfinningen utnyttjas för att åstadkomma en rikt- kopplare med lag överhörning. Genom att utföra de bagformade delarna cirkelbagformade underlättas tillverkningen av elektroderna med de tillverk- ningshjälpmedel som står till buds vid normal produktion. Kraven på tillverk- ningsnoggrannheten kan ställas laga genom att genomkopplingstillstandet och framför allt korskopplingstillstândet för både TE-moden och TM-moden kan injusteras under utnyttjande av bade A/š-modulering och ÅK -modulering.

De spänningar som härvid erfordras mellan riktkopplarens elektroder är relativt laga. Denna fördel nas genom att den enkristallina skivans kristalloríentering valts pa sådant sätt att de r-koefficienter som utnyttjas för att ändra ljusets utbredningskonstanter har stora värden. Riktkopplarens elektroder ligger vid sidan om vagledarna. Detta medför fördelen att riktkopplarens buffertskikt ll kan uteslutas om ett lämpligt meterial, exempelvis indiumtennoxid, väljes till elektroderna. Elektroder utförda pa detta sätt orsakar endast normal dämpning av ljusvagen i ljusvagledarna, trots att buffertskíktet saknas.

Claims (3)

1. 0 15 20 9 459 698 PATENTKRAV l. Polarisationsoberoende optoelektrisk riktkopplare omfattande en en- kristallin skiva av dubbelbrytande material med en optisk axel, ett avlångt och i minst tva tvärgaende sektioner uppdelat interaktionsomrade vid skivans övre yta, två ljusvagledare, vilka sträcker sig i interaktionsomradet pa avstånd från varandra i interaktionsomrädets längdriktning och en elektrodanordning i inter- aktionsomrädet vilken i var och en av sektionerna har en mittalektrod i mellanrummet mellan ljusvagledarna och en ytterelektrod pa varsin sida om ljusvâgiedarna, varvid den optiska axeln hos skivan är riktad i tvärriktningen av ljusvagledarna och ligger i plan med den övre ytan hos skivan och ljusvàgledarna sträcker sig i kristallens Y-riktning och varvid elektroderna har anslutningar för anslutning till elektriska spänningskâllor, k ä n n e t e c k n a d därav att spänningskällorna (12, l3, 14; 15, 16, 17) i var och en av sektionerna (Sl, S2) alstrar ett första elektriskt fält (E3) mellan ytterelektroderna (S, 7; 8, 10) vilket har samma riktning i båda ljusvàgledarna (3, li) och ett andra elektriskt fält (El, E2) mellan mittelektroden (6; 9) och ytterelektroderna (5, 7; 8, 1D) vilket fält (El) i den ena ljusvàgledaren (3) har en riktning som är motsatt fältets (EZ) riktning i den andra ljusvägledaren (4),- varvid det andra elektriska fältet (El, EZ) i en av sektionerna (S1) har motsatt riktning mot det andra elektriska fältet i en intilliggande sektion) (S2) sa att bada polarisations- riktningarna (TM, TE) hos en inkommande ljusvag (P) kan omkopplas till en önskad del mellan vagledarna (3, 4).

2. Polarisationsoberoende optoelektrisk riktkopplare enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d därav att ljusvagledarna (3, li) dels i interaktione- omradets (Ll) mittparti (L2) har delar (3a, lia) vilka är parallella med varandra, dels i interaktionsomradets (Ll) bade ändpartier har delar (Bb, 4b) vilka är bàgformade, varvid elektrodernas (5, 6, 7; 8, 9, 1D) form ansluter sig till vâgledarnas form.

3. Polarisationsoberoende optoelektrisk riktkopplare enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d därav att ljusvâgledarnas (3,4) bägformade delar (3b, lib) har cirkelbagform (R).