SE513450C2 - Optisk omkopplare - Google Patents

Description

513 450 2 litiumniobat. Ledaren av litiumniobat utformas i en monokristal- lin platta varefter longitudinella elektroder placeras närliggan- de bandledaren. Elektroderna modifierar det lokala värdet för brytningsindex när en potentialskillnad pàläggs.

Med denna teknologi, kan bekvämt tillverkas kanaler med relativt liten förlust med god fläckstorleksmatchning mot enkelmodfibrer.

Emellertid finns ett viktigt problem. Komponenterna av LiNbOa är inherent polarisationsberoende, dvs. de kräver exitering av en specifik linjär polarisation ("ordinär" transversell elektrisk mod TE eller "extraordinär" transversell magnetisk mod TM, för ett exempel med Z-snitt), beroende pà kristallorienteringen, medan tillståndet för polarisation (SEP) vid utgàngen av en singelmodfiber kommer att uppvisa ett slumpmässigt uppträdande.

Detta problem löses vanligen genom användning av teknik anpassad för att inrymma det inherenta polarisationsberoendet för komponenter av LiNbO,, vilket tjänar till att komplicera systemen.

Det finns ett antal koncept för polarisationsoberoende omkopplare och modulatorer. Se, t.ex., M. Kondo et al, "Low Drive Voltage and Low Loss Polarization Independent LiNbO3 Optical Waveguide Switches", Electron. Lett., vol. 23, (1987), s. 1167-1169; R.C.

Alferness, "Polarization Independent Optical Directional Coupler Switch Using Weighted Coupling", O.G. Ramer et al., "Polarization Independent Optical Switch with Multiple Sections of AB Reversal and a Gaussian Taper Function", IEEE Journ. Quantum Electron. vol. QE-18 (1982), s. 1772-1779; L. McCaughan, "Low Loss Polarization Independent Electrooptical Switching at Ä = 1,3 pm", IEEE Journ. Lightwave Techn., vol. LT-2, (1984), s. 51-55; Y.

Bourbon et al., "Polarization-Independent Modulator with TizLiNbO3 Strip Waveguides", Electron. Lett. vol. 20, (1984), s. 496-497; N. Tsukada et al. , "Polarization-Insensitive Integrated- Optical Switches: A New Approach", IEEE Journ. Quantum Electron. , vol. QE-17, (1981), s. 959-964; J.E. Watson, "A Low-Voltage Polarization Independent Guided Wave Direction-Coupler Switch in Lithium Niobate", SPIE vol. 835, Integrated Optical Circuit 513 450 3 Engineering V, (1987), s. 132-135; J.E. Watson et al., “A polarization Independent lx16 Guided-Wave Optical Switch Integrated on Lithium Niobate", Journ. Lightwave Techn. , vol. LT- 4, (1986), s. 1717-1721; W.K. Burns et al., "Interferometric Waveguide Modulator with Polarization-Independent Operation", Applied Physics Letters, vol. 3, (1978), s. 944; P. Granestrand et al., "Polarization Independent Optical Switches", Fourth European Conference on Integrated Optics (ECIO '87) s. 36-39; P.

Granestrand et al., "Polarization Independent Switch and Polarization Splitter Employing AB and Aß Modulation", Electron.

Lett. 1988, 1142-1143; J.L. Nightingale et al., "Low-Voltage Polarization Independent Optical Switch in Ti-indiffused Lithium Niobate", Techn. Digest of Integrated and Guided Wave Optics Conf. (IGWO '89), paper MAA3, s. 10-13; K. Takizawa et al., "Polarization-Independent and Optical Damage-insensitive LiNbOa Interferometric Waveguide Modulator" , Japanese Journal of Applied Physics, vol. 27, (1988) s. L696-L698; Y. Silverberg et al., "Digital Optical Switch", Techn. Digest OFC 1988, paper THA3; H.F. Taylor, "Polarization Independent Guided wave Optical Modulators and Switches", IEEE Journ. Lightwave Techn., vol. LT 3 (1985), s. 1277-1280; T. Pohlmann et al., "Polarization independent switches on LiNbO3“, Proceedings of the Topical Meeting on Integrated Photonics Research, Hilton Head, SC, 1990, s. 38-39. De första experimentella resultaten med polarisationso- beroende omkopplare rapporterades av Alferness 1979.

Ett tillvägagångssätt att tillverka polarisationsoberoende omkopplare är att utnyttja kristallorienteringar där förhållande- na är lika för de två polarisationerna. Detta betyder att de elektrooptiskt inducerade störningarna är lika och att TE- och TM-moderna har ungefärligen samma kopplingslängder. De "isotropa" orienteringarna med Z-axeln i utbredningsriktningen är exempel pà sådana orienteringar. Här ser båda polarisationerna ett ordinärt brytningsindex och därför är brytningsindexstörningar beroende på titankoncentrationen (Ti) lika för de två polarisa- tionerna. Detta betyder att kopplingslängderna är ungefärligen lika. De elektrooptiskt inducerade brytningsindexstörningarna för 513 450 4 _ de två polarisationerna orsakas genom de elektrooptiska r-koef- ficienterna ru och rn (sammandraget index). De har lika storlek men motsatta tecken och index 2 vilket är gemensamt 1 rn och rn innebär att dessa störningar motsvarar yttre elektriska fält längs Y-axeln. En komplicerande faktor i detta sammanhang är det faktum att de två polarisationerna är nästa synkrona och att det finns en elektrooptisk koefficient (av samma storlek som rn och rn) vilken utför en koppling mellan de två polarisationerna.

Denna r-koefficient är ru, indexerad 1,2,l i en icke samman- dragen angivelse. Indexet 6 (1,2 icke sammandraget) motsvarar koppling mellan elektriska fält längs X- och Y-axelriktningar (noteringsformatet förklaras nedan). Kopplingen induceras av ett externt elektriskt fält längs X-axeln som angivet av det andra listade indexet.

För att erhålla god prestationsförmàga i en omkopplare med denna orientering, måste denna TE/TM-omvandling undvikas. Emellertid, eftersom de icke önskade (TE = TM) och de önskade störningarna (Anm» Ann) motsvarar olika komponenter för det externa fältet, är det möjligt att undvika denna koppling genom korrekt konstruk- tion av komponenten.

En fördel med Z-utbredningskoncept är att samma brytningsindex (ordinärt) ses av de tvà olika polarisationerna. Därför, kommer det inte att finnas någon bandbreddsdegradering beroende pà pulsbreddning, vilket uppträder när olika index ses av de två polarisationerna.

Denna indexskillnad (vilket innebär olika hastigheter för delarna i en puls med TE- respektive TM-polarisation) kommer att uppträda när kristallorienteringar med Z-axeln vinkelrätt mot utbrednings- riktningen används och kommer att begränsa den tillåtna bithas- tigheten till ungefärligen 10 Gbit/s per kanal för en 10 cm lång bricka i genom någon annan princip, såsom våg1ängdsdelningsmultiplexering eller genom koherent teknik, kan informationsbandbredder i THz- området omkopplas även med omkopplare i dessa orienteringar. 513 450 5 En annan fördel med Z-utbredningskoncepten är att båda polarisa- tionerna kommer att ha ungefärligen samma överföringsfunktion (allmänt för andra koncept betyder polarisationsoberoende att det är möjligt att lägga omkopplaren i de två polarisationsoberoende omkopplartillstånden, men utan oberoende i "mellanliggande" punkter). Detta är viktigast, t.ex., när linjära (smàsignals) modulationstillämpningar betraktas.

Alla omkopplartyperna nämnda ovan är så kallade interferometriska omkopplare, varvfld de baseras på konstruktiv och destruktiv interferens av moder, varför de alla har oscillerande överför- ingsfunktioner. Det finns emellertid en annan möjlighet, och det är att använda anordningar vilka bygger på modsortering istället för interferometri. Se, W.K. Burns et al., "Mode Conversion in Planar Dielectric Separating Waveguides", IEEE Journ. of Quantum Electron., vol. QF-11 (1975), s. 32-35, och Y. Silverberg et al., "Digital Optical Switch", Tech. Digest OFC, 1988, papper THA3.

Figur l visar en modsorteringsomkopplare 100. Det är en 2x2 digital optoswitch och består av en osymmetrisk Y-vågledargren 101 på ena sidan och symmetrisk Y-vågledargren 102 på den andra.

Den senare grenen 102 kan göras osymmetrisk genom att påföra ett elektriskt fält via elektroderna 103 och 104. En asymmetrisk Y- gren 101 utför modsortering, under förutsättning att trans- formationen är "adiabatisk" (tillräckligt långsam). Modsortering här betyder att kanalmoden i ingàngsvågledaren med högsta effektiva index gradvis transformerar längs grenen till den första ordningens lokala normalmod (grundmod) för de två modområdena där kanalerna är nära och påverkar varandra (det finns ingen effektöverföring mellan de lokala normalmoderna, varvid vid stor separation den första ordningens mod har formen för kanalmoden). På samma sätt, transformeras moden i den andra kanalen till den andra ordningens mod (dvs. första högre ordningens mod). Alltså signalen i. den breda kanalen trans- formeras till första ordningens mod i det mittre området och signalen i den smalare kanalen transformeras till den andra ordningens mod i det mittre området. Om den andra halvan 102 för 513 450 6 omkopplaren 100 alltså är asymmetrisk (dvs., en udda index- störning induceras) genom páförande av en spänning till elektro- derna 103 och 104 på ett liknande sätt, transformeras den första ordningens mod i. det mittre området (motsvarande den breda ingàngskanalen) till utgàngskanalen med högsta index och motsatt den andra ordningens mod transformeras till utgàngskanalen med lägsta index.

Eftersom symmetrin för Y-utgàngsgrenen elektrooptiskt kan ändras arbetar anordningen som en 2x2 omkopplare förutsatt att index- störningen är tillräckligt stor och transformationen är adiaba- tisk. Om noll spänning påförs elektroderna, sker en 3 dB-splitt- ning av báda signalerna.

I figur 2 visas en överföringsfunktion för en X-snittad digital optisk omkopplare för (notera skillnaden) TE (heldragen linje) och TM (streckad linje). Som kan ses, har överföringsfunktionen inte det oscillerande uppträdandet för interferometriska om- kopplare och omkopplaren kommer att fungera oberoende av polarisation med antagandet att drivspänningen är tillräckligt hög.

En signifikant fördel för den digitala optiska omkopplaren är dess superba stabilitetsprestationsförmåga. Instabiliteter orsakade genom likspänningsdrift och temperaturvariationer uppträder som variationer i den "effektiva" pàförda spänningen, och det digitala gensvaret med dess lilla lutning av överförings- funktionen dämpar den inducerade omkopplartillstàndsstörningen om en arbetspunkt med tillräckligt hög spänning väljs.

En annan fördel för den digitala optiska omkopplaren är effekt- splittningen erhàllen vid noll spänning. Detta är speciellt viktigt när rundsändningsfunktion krävs, t.ex. i vissa omkopp- larmatrisapplikationer.

Figur 3 visar en omkopplarmatrisstruktur i vilken de digitala omkopplarna är ett mycket attraktivt val av omkopplingselement. 513 450 7 Se, R.A. Spanke, "Architectures for Large Non-blocking Optical Space Switches“, IEEE Journ. of Quantum Electron., vol. QE-22 (1986), s. 944-967. Här behövs 1x2 omkopplare, vilket betyder att omkopplaren beskriven ovan kan förenklas till en lx2 digitala optiska omkopplarstruktur enligt figur 4 (exempel med X-snitt).

I omkopplaren visad i figur 4, exciterar signalen i den in- kommande singelmodkanalen 131 den första ordningens mod för de två modområderna 132 och denna mod transformeras (som beskrivet ovan) till utgången med högsta effektiva index genom påförande av ett lämpligt elektriskt fält via tre elektroder 133, 134, 135 (dvs., 133 och 135 jordade och 134 vid positiv eller negativ potential med tillräcklig storlek, eller 134 jordad samt 133 och 135 vid positiv eller negativ potential med tillräcklig storlek).

Strukturen enligt figur 3 har goda överhörningsegenskaper efter- som en signal måste gå fel i två omkopplare före att den når en icke önskad utgång om matrisen är korrekt uppställd (detta är inte sant :L en funktion med passiv splittning - aktiv kom- binering, vilket ytterligare förklaras nedan). Se, artikeln av Spanke.

Strukturens goda överhörningsprestationsförmåga minskar över- hörningskravet på de individuella omkopplarelementen, vilket är fördelaktigt eftersom det är troligen svårare att erhålla extremt lite överhörning med den optiska omkopplaren än med en elektro- niskt justerbar riktkopplare såsom visats i artikeln av Grane- strand et al.

En annan viktig egenskap för en omkopplarmatris beroende på figur 3 med digitala optiska omkopplare som omkopplingselement är möjligheten att bekvämt implementera rundsändningsfunktioner där signalen från en ingång distribueras till flera utgångar. I detta fall sätts vissa (eller alla) av omkopplarna i den första halvan av matrisen till 3 dB effektsplittning, vilket i fallet för den digitala optiska omkopplaren uppnås vid noll spänning. 513 450 8 Var och en av kopplarna eller omkopplarna beskrivna ovan lider av nackdelar såsom komplex tillverkning, komplicerad implemente- ring och/eller styrning, begränsad bithastighetskapacitet och olämplig känslighet mot omgivningen.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med uppfinningen är en förbättrad drivspänningslikhet för de två polarisationerna kombinerad med stora toleranser för drivspänningsvariationer. Denna tolerans är nära förbunden med stabilitetsprestationsförmågan.Omkopplartillståndenëhrrelativt okänsliga för en variation i drivspänning i närheten av arbets- punkten och därför har också omkopplaren en god stabilitetspres- tationsförmåga eftersom effekten av temperaturvariationer, t.ex. manifesteras som en variation i. den "effektiva" spänningen.

Alltså minskas drivkomplexiteten (antal drivare, spännings- toleranser).

Andra syften med uppfinningen är förbättrade tillverknings- toleranser och förbättrad överhörning (vilka är relaterade), samt en stor bandbredd, både omedelbar bandbredd (motsvarande maximal bithastighet för en signal dirigerad genom omkopplaren) och total bandbredd (motsvarande det totala vàglängsområdet möjligen innehållande många kanaler vilka kan omkopplas samtidigt).

Den föreliggande uppfinningen undviker åtskilliga andra nackdelar för konventionella digitala optiska omkopplare. T.ex., minskas bithastighetsbegränsningen nämnd ovan beroende på skillnaden i brytningsindex mellan de två polarisationerna. Den föreliggande uppfinningen undviker även nackdelen att ha överföringsfunktioner som är olika för de två polarisationerna beroende på det faktum att de två polarisationerna skulle normalt se olika elektrooptis- ka koefficienter. Vidare, undviker den föreliggande uppfinningen effekten av polarisation vilken normalt avkänner ett extraordi- närt brytningsindex. Denna del av signalen skulle vara föremål för en ytledare, orsakad av utdiffusionen av Li, vilket till exempel skulle försämra omkopplarnas prestationsförmåga i en 513 450 9 omkopplarmatris. I den föreliggande uppfinningen undviks detta emellertid beroende på de valda orienteringarna.

Dessa och andra syften med uppfinningen erhålls genom den föreliggande uppfinningen vilken inbegriper en X-sittad eller nästan Y-snittad monokristallin skiva av elektrooptiskt material, som bildar ett substrat för en digital optisk omkopplare. vågledare av Ti:LiNbO3 diffunderas in i skivan för att bilda bandvågledare. Dessa vågledare bildar en Y-form, vars brytnings- index styrs genom elektroder utformade tätt näraliggande till denna.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj med hänvisning till ritningarna i vilka: Figur 1 representerar en konventionell digital optisk 2x2 omkopplare, Figur 2 är en kurva över en experimentell överföringsfunktion för en digital optisk omkopplare visad i figur 1, Figur 3 representerar en omkopplarträdstruktur, Figur 4 representerar en lx2 digital optisk omkopplare använd i trädstrukturen visad i figur 3, Figur 5 representerar en första utföringsform av en digital optisk omkopplare i enlighet med den föreliggande uppfinningen som använder en digital optisk omkopplare med nästan Z-utbredning, med X-snitt, Figur 6 är en kurva över de effektiva r-koefficienterna för omkopplaren visad i figur 5 som en funktion av vinkeln mellan Z-axeln och utbredningsriktningen, 513 450 10 Figur 7 representerar en andra utföringsform av uppfinningen G med användning av en digital optisk omkopplare med nästan Z-utbredning, som använder nästan ett Y-snitt, Figur 8 visar kristallstruktur och orientering för koordinat- system i LiNb0w Figur 9 representerar en tredje utföringsform av uppfinningen som använder en 2x2 digital optisk omkopplare med nästan Z-utbredning, med X-snitt, samt Figur 10 representerar en fjärde utföringsform av uppfinningen med användning av en 2x2 digital optisk omkopplare med nästan Z-utbredning, med nästan Y-snitt.

Beskrivning av de föredragna utförinqsformerna När optiska omkopplare tillverkas i Ti:LiNb03, selekteras vanligen en kristallorientering vilken möjliggör användning av de kraftigaste elektrooptiska r-koefficienterna (rä, i samman- slagen indexnotering, rus i icke sammanslagen notering) motsva- rande en ändring i brytningsindex i Z-riktningen beroende på ett pàlagt fält i Z-riktningen. Dessa orienteringar är Z-snitt med X- eller Y-utbredning, Y-snitt med X-utbredning och X-snitt med Y-utbredning. Som ett exempel, inriktas Z-snitt med Y-utbred- ningsorgan så att ljuskanaler inriktas så att utbredning huvudsakligen är i Y-riktningen i kristallen och så att ytan är vinkelrätt mot Z-axeln. I dessa orienteringar, är Z-axeln vinkelrät mot utbredningsriktningen.

En skillnad mellan den föreliggande uppfinningen och teknikens ståndpunkt är orienteringen av Z-axeln i förhållande till utbredningsriktningen. I den föreliggande uppfinningen, är utbredningsriktningen nästan parallell med Z-axeln snarare än längs X- eller Y-axeln.

Skivmaterial av t.ex., litiumniobat, har en kristallstruktur.

Figur 8 visar orienteringen av ett rätvinkligt högerkoordinatsys- 513 450 11 tem X, Y, Z vilket är associerat med ett kristallografiskt koordinatsystem a, b, c. Axlarna i detta koordinatsystem har valts sådana att X-axeln pekar i riktningen för den kristallogra- fiska a-axeln och Z-axeln i riktningen för den kristallografiska c-axeln, vilken är den optiska axeln. Litiumniobat har dubbla brytningsindex och dess brytningsindex beskrivs av en rotations- ellipsoid. Skärningen mellan ellipsoiden och X, Y-planet är en cirkel och dess skärning med X, Z-planet är en ellipsoid, vars huvudaxel är diametern i cirkeln. En monokromatisk ljusstràle i Z-axelns riktning påverkas i kristallen av brytningsindex med en storlek motsvarande cirkelns radie. Storleken för brytningsin- dexen är oberoende av ljusstràlepolarisationsriktningen och alla polarisationsriktningar för ljusstrålen utbreder sig genom kristallen med samma hastighet. I motsats till detta, kommer en ljusstràle som utbreder sig i andra riktningar att ha egenpolari- sationer beroende på brytningsindex av olika storlekar, dessa storlekar kommer att bero av vinkeln mellan utbredningsriktningen och Z-axeln. Ljusstrålar som har samma riktning men olika polarisationsplan utbreder sig genom kristallen med olika hastigheter. Resultatet av detta är att en ljuspuls som in- nehåller effekt i båda egenpolarisationerna kommer att få pulsen förlängd när den passerar genom kristallen, om utbrednings- riktningen avviker från Z-axelriktningen. I sin tur begränsar pulsförlängningen den högsta Ppulsfrekvensen med vilken en komponent gjord av ett kristallmaterial kommer att fungera.

För att erhålla en komponent med hög övre pulsfrekvens, väljs skivorienteringen sådan att riktningen för vàgledarna 181, 183 väsentligen sammanfaller med den för Z-axeln, i enlighet med den föreliggande uppfinningen. Oscíllationsmoder i ljusvågen, TE- moden polariserad parallell med ytan och TM-moden polariserad vinkelrätt mot ytan, kommer i detta fall att ha ungefärligen gemensamma utbredningshastigheter. Graden vid vilken ljus går i en given vågledare, kan påverkas genom ett inducerat elektriskt fält i kristallen. Det elektriska fältet ändrar formen på ellipsoiden för brytningsindex i enlighet med Pockel's effekt för svaga elektriska fält. 513 450 12 Ändringarna beskrivna matematiskt i de flesta allmänna tredimen- sionella fall är genom en tredje ordningens tensor, med 27 tensorelement. Dessa noteras vanligen rim, där index i, j och k antas ha värdena 1, 2 eller 3. Indexen hänvisar till ett rätvin- kligt, högerkoordinatsystem. (Ofta är de tvâ första indexen grupperade tillsammans i så kallat sammandraget index: 1,1 noteras 1, 2,2 noteras 2, 3,3 noteras 3, 2,3 noteras 4, 1,3 noteras 5, 1,2 noteras 6.) Tensorelementen rm* har fysiska dimensioner längd per elektrisk potentialskillnad (meter per volt), vilket är måttet för ändringen mellan oscillationsmoderna erhållna genom det elektriska fältet. Dessa ändringar av brytningsindex påverkar oscillationsmoderna TM och TE så att omkoppling kan utföras.

I enlighet med uppfinningen, är den optiska omkopplaren oberoende av polarisation. Orienteringen av den monokristallina plattan väljs pà följande sätt. När en kanalorientering väljs vilken inte är längs de kristallografiska X-, Y- eller Z-axlarna, kommer den "effektiva" elektrooptiska tensorn (sedd av de tvà polarisatio- nerna i kanalen) att vara en linjär kombination av de "kon- ventionella" r-koefficienterna (i X, Y, Z systemet (l,2,3)).

Figur 6 visar de effektiva r-koefficienterna för de tvá polarisa- tionerna sedda av kanalmoderna när en utbredningsriktning väljs i närheten av Z-axeln inom Y-Z-planet med kanalcentrumaxeln pekande i en riktning mellan den negativa Y-axeln och den positiva Z-axeln vilken avviker en vinkel 6 från den senare. Som kan ses, vid 9 = 0 kommer r-koefficienterna att ha olika tecken vilket betyder att den rena Z-utbredningsorienteringen kan inte användas i samband med den digitala optiska omkopplaren (eftersom det skulle dirigera olika polarisationer till olika portar, skulle den bli en polarisationsplittare, och inte en omkopplare.

Om emellertid vinkeln B ökas till ungefärligen 10 grader kommer att uppnås samma storlek och tecken för de effektiva elektroop- tiska koefficienterna. Därför kan denna utbredningsriktning användas för digitala optiska omkopplare. Notera att detta endast definierar utbredningsriktningen, kristallsnittet kan väljas pà 515 450 13 två fundamentalt skilda sätt vilka båda är av intresse (anled- ningen att endast två kristallsnitt är intressanta är att det måste vara möjligt att tillhandahålla det tillämpliga elektriska fältet via elektroderna). Det finns naturligtvis kristallsnitt vilka är ekvivalenta till de här beskrivna (t.ex., när substratet placeras upp och ner i något av de föreslagna snitten eller ljusutbredningsriktningen omkastas).

Det föreslagna kristallsnittet i den första utföringsformen av uppfinningen är X-snitt, med en kanalorientering motsvarande likadana effektiva r-koefficienter för de två kanalmoderna (eller nästan likadana, exakt funktion på "likhets"-punkten är inte nödvändig) som visat i figur 6. Anledningarna för detta val av kristallsnitt är att X-snittmaterial är en standardorientering vilket gör att detta val ett enkelt ett att använda praktiskt.

Figur 5 representerar en första utföringsform av en digital optisk omkopplare i enlighet med den föreliggande uppfinningen.

Omkopplaren är sammansatt av en X-snittad, monokristallin skiva 180 av elektrooptiskt material, på vilken är utformat bandvågle- dare 181-183 utformade genom diffusion av Ti in i det elektroop- tiska materialet av LiNb03. Vågledarna 181-183 är skapade i form av ett Y, och inbegriper en första vågledare 181 vid en övre yta av skivan vilken är nästan parallell med skivans Z-axel. Denna första vågledare 181 bildar benet för Y-formen. En andra och en tredje vågledare 182, 183 skapas 1 den övre ytan av skivan. Den andra och tredje vàgledaren 182, 183 bildar armarna i Y-formen genom att vid ett mellanliggande läge korsa den första vàgledaren 181. En första elektrod 186, till vilken en spänning påföres, är utformad i Y>formens korsning. Den första elektroden 186 är utformad pà den övre ytan av skivan 180 och är väsentligen begränsad av den andra och tredje vàgledaren 182, 183. En andra och en tredje elektrod 184, 188 är skapade näraliggande de yttre kanterna eller gränserna på den andra och den tredje vàgledaren 182, 183, vilka bildar armarna i Y-formen. Dessa elektroder 184, 186 är jordade och motsatta i läge mot den första elektroden 186 i förhållande till den andra och den tredje vàgledaren 182, 183. 513 450 14 I allmänhet kan elektroden (elektroderna) som skall jordas och èlektroden (elektroderna) som ges en potential utbytas.

När en kraftig spänning påförs den första elektroden 186, ändrar det inducerade elektromagnetiska fältet brytningsindex för vågledarna, och kopplar alltså om det inkommande ljuset fràn en vågledare till en annan på ett för fackmannen sätt känt.

En utbredningsriktning för vågledarna 181-183 bildar en vinkel 9 mot skivans 180 Z-axel. Denna vinkel är en spetsig vinkel 6, lämpligen 1nellan O och 20 grader. Optimalt är den spetsiga vinkeln 6 som bildas mellan. den första 'vågledarens 181 ut- bredningsriktning och Z-axeln ungefärligen 10 grader som nämnts ovan.

Som nämnt ovan, illustrerar figur 6 de effektiva r-koefficienter- na (elektrooptiska koefficienter projicerade på riktningarna vinkelräta mot utbredningsriktningen) för en orientering beroende på strukturen visad i figur 5, som en funktion av vinkeln 6 mellan Z-axeln och utbredningsriktningen. Den streckade linjen representerar TE-mod och den heldragna linjen representerar TM- mod. Som kan ses är en vinkel 6 mellan Z-axeln och utbrednings- riktningen ungefärligen 10 grader optimal för denna speciella utföringsform.

De två polarisationerna ser en effektiv r-koefficient som är lika både i tecken och storlek. I den "rena" Z-utbredningen, är de lika i storlek men motsatta i tecken. Liknande r-koefficienter innebär att överföringsfunktionerna kommer att bli lika för två polarisationer, och alltså göra smàsignalsmodulation möjlig.

Eftersom de effektiva brytningsindexen som ses av de två moderna är mycket närmare varandra jämfört med orienteringar där Z-axeln är vinkelrät mot utbredningsriktningen, kommer bandbreddsbegräns- ningen nämnd ovan inte att vara uttalad annat än att mycket höga bithastigheter används. Alltså eftersom ljuset ser väsentligen ett ordinärt brytningsindex, kommer problemet med utdiffusion att vara mycket mindre svårt. Å ena sidan, erhålls dessa fördelar med 513 450 15 kostnaden av högre drivspänningar av storleksordningen 30% högre än konventionella polarisationsoberoende digitala optiska om- kopplare. Å andra sidan, kan de halvläckande moderna som föreligger i orienteringen enligt figur 5 orsaka höga överdrivna förluster för TE-polarisation beroende på polarisationskoppling mot substratmoder, dvs., en.överdriven förlust beroende på TE-TM- koppling (beskrivet i J. Ctoroky, M. Cada, "Guided and Semileaky Modes in Anisotropic Optical Waveguides of the LiNbO3 Type", Optics Communications, vol. 27, (1978), s. 353.356). Om emeller- tid kristallorienteringen vrids 90 grader runt utbredningsrikt- ningen, är resultatet en orientering vilken inte lider av denna nackdel (Se, t.ex., artikeln av Ctoroky med referenser). Den resulterande orienteringen kommer att vara ett nästan Y-snitt, nästan Z-utbredningsfall vilket motsvarar den andra versionen av den föreliggande uppfinningen. (Notera att i figur 6, antas ett X-snitt fall vilket manifesteras i tilldelning av TE- och TM- polarisationer.) En omkopplare som använder denna orientering och korrekta r-koefficienter visas i figur 7.

Figur 7 illustrerar en nästan Z-utbredande digital optisk omkopplare med nästan Y-snitt. I denna orientering kommer den överdrivna förlusten beroende på halvläckande moder som kan påverka omkopplaren enligt figur 5 att undvikas. I denna utföringsform av den föreliggande uppfinningen inbegriper den optiska omkopplaren en nästan Y-snittad monokristallin skiva 190 av elektrooptiskt material LiNbO3næd X-axeln i ytans plan.

En första vàgledare 191 vid en övre yta av skivan är orienterad att vara nästan parallell med skivans 190 Z-axel. En andra och en tredje vàgledare 192, 193 skapade vid en övre yta av skivan 190 för att korsa den första vágledaren 190 och alltså bildande armarna och benen i en Y-form. En första elektrod 194 är placerad pà ytan av skivan för att väsentligen sammanfalla med en del av den andra vàgledaren 192, medan en andra elektrod 195 är placerad närliggande till och väsentligen sammanfallande med den tredje vågledaren 193. Den första elektroden 194 kan ta emot en spänning medan den andra elektroden 195 är jordad. Genom selektivt 513 450 16 påförande av relativt hög spänning till den första elektroden 194, styrs brytningsindex, som alltså styr utbredningen av ljus i bandvàgledarna.

Den första, andra och tredje vàgledaren 191-193 skapas genom diffusion av Ti in i skivan av LiNbOy Den första vàgledaren 191 har en spetsig vinkel 6 i förhållande till skivans Z-axel. Den spetsiga vinkeln 6 har lämpligen ett värde i området 0-20 grader. Optimalt är den spetsiga vinkeln 9 ungefärligen 10 grader av skälen förklarade Ovan. Pâ samma Sätt, har skivans 190 normal en orientering av 0-20 grader och lämpligen ungefärligen 10 grader och lämpligen ungefärligen 10 grader mot materialets Y-axel. En nackdel med denna omkopplare är det speciella kristallsnittet som krävs för att tillhandahålla en nästan Y-snitt. Annars visar denna omkopplare en förbättrad total bandbredd och stabilitet, ökad omedelbar bandbredd (nästan samma effektiva brytningsindex för båda polarisationerna), god linjäritet (samma r-koefficienter), minskad utdiffusion, och minskad halvläckande modàtkomstförlust.

Typiskt finns det en spänning-längdprodukt vilken är konstant för en speciell typ av omkopplarelement, orientering och vågledarpa- rametrar. Detta betyder att om anordningens längd dubblas (t.ex. divergensvinkeln i Y-grenen för den digitala optiska omkopplaren dubbleras) kan spänningen som krävs för att uppnå ett speciellt omkopplartillstànd halveras. Typiska siffror för en digital optisk omkopplare av LiNb03 är +/- 60 volt för att koppla om den ordinära polarisationen (vilken kräver högre spänningar) för ungefärligen -l5 dB överhörning (för ett exempel med X-snitt, med Y-utbredning) i en omkopplare med divergensvinkel 0,004 radianer (vinkeln mellan benen i Y-grenen). För den föreliggande upp- finningen kan något högre spänningar förväntas (i storleksord- ningen 30 procent högre).

Området för den spetsiga vinkeln kan vara 0 till 20 grader för att täcka de intressanta fallen. Som kan ses i figur 6, när denna 513 450 17 vinkel är mycket liten (låt säga mindre än 4 grader) erhålls inte det korrekta relativa tecknet för de effektiva elektrooptiska koefficienterna.

Figur 9 visar en tredje utföringsform av uppfinningen inbe- gripande en 2x2 digital optisk omkopplare 200 med X-snitt, nästan med Z-utbredning. Den«digitala.optiska omkopplaren 200 inbegriper en monokristallin skiva av LiNbQ,på vilken handledare av titan utformas som en asymmetrisk Y-vågledargren 201 pà en sida och en symmetrisk Y-vàgledargren 202 på den andra. Den senare grenen 202 kan göras osymmetrisk genom att påföra ett elektriskt fält via elektroderna 203, 204 och 205.

De respektive grenarna 201 och 202 kopplas för att bilda en X- form i vilken grenarna är ungefärligen symmetriska runt en axel som bildar en spetsig vinkel mot skivans Z-axel. Den spetsiga vinkeln har ett område 0-20 grader och lämpligen 10 grader som i de andra utföringsformerna.

En asymmetrisk Y-gren 201 utför~modsortering, under förutsättning att transformationen är adiabatisk. Alltså kanalmoden i ingångs- vågledaren med högsta effektiva index transformerar gradvis längs grenen mot den första ordningens lokala normalmod (grundmod) för de tvà modomràdena där kanalerna är nära och påverkar varandra (det finns ingen effektöverföring mellan de lokala normalmoderna, varvid en stor separation av den första ordningens mod har formen av kanalmoden). På samma sätt transformerar moden i den andra kanalen till den andra ordningens mod. Alltså signalen i den breda kanalen transformeras till den första ordningens mod i det mittre området och signalen i den smalare kanalen transformeras till den andra ordningens mod för det mittre området. Om den andra hälften 202 av omkopplaren 200 alltså är asymmetrisk (dvs., en udda indexstörning induceras) genom påförande av en spänning till elektroden 205 och elektroderna 203 och 204 jordade (eller vice versa), transformeras den första ordningens mod i det mittre området (motsvarande den breda ingångskanalen) till utgångs- 513 450 18 _ kanalen med högsta index och tvärtom den andra ordningens mod transformeras till utgångskanalen med lägsta index.

Eftersom Y-utgångsgrenens asymmetri elektrooptiskt kan ändras fungerar anordningen som 2x2 omkopplare förutsatt att index- störningen är stor nog och att transformationen är adiabatisk.

Om noll spänning páförs till elektroderna, kommer en 3 dB-splitt- ning att uppträda för båda signalerna.

Figur 10 visar en fjärde utföringsform av uppfinningen vilken är en Y-snittad, nära Z-utbredande modsorterande omkopplare 210.

Modsorteringsomkopplaren 210 verkar som en 2x2 digital optisk omkopplare och inbegriper en skiva av LiNbO3 i vilken band- ljusledare av diffunderat titan är utformade som en asymmetrisk Y-grenvàgledare 211 pà en sida och en symmetrisk Y-grenvágledare 212 på den andra. Den senare grenen 212 kan göras asymmetrisk genom att pàföra ett elektriskt fält via elektroderna 213 och 214.

Liksom den tredje utföringsformen ansluter de respektive.grenarna 211 och 212 för att bilda en X-form i 'vilken grenarna är ungefärligen symmetriska runt en axel som bildar en spetsig vinkel med skivans Z-axel. Den spetsiga vinkeln har ett område O-20 grader och lämpligen 10 grader liksom i de andra utförings- formerna. Pà samma sätt, har normalen för skivan 190 en oriente- ring av O-20 grader och lämpligen ungefärligen 10 grader mot materialets Y-axel.

Som med den tredje utföringsformen utför en asymmetrisk Y-gren modsortering, givet att transformationen är adiabatisk, i att kanalmoden i ingångsvàgledaren.med högsta effektiva index gradvis transformerar längs grenen till den första ordningens lokala normala mod (grundmod) för de tvà modomràdena där kanalerna är nära och influerar varandra (det finns ingen effektöverföring mellan de lokala normalmoderna, vid stor separation har den första ordningens mod (dvs., första högre ordningens mod) formen av kanalmoden). Pà samma sätt transformerar moden i den andra 513 450 19 kanalen till den andra ordningens mod. Alltså signalen i den breda kanalen transformerar den första ordningens mod :i det mittre området och signalen i den smalare kanalen transformerar till den andra ordningens mod för det yttre området. Om den andra halvan 212 av omkopplaren 210 också är asymmetrisk (dvs., en udda indexstörning induceras) genom påförande av en spänning på elektroderna 213 och 214, transformerar den första ordningens mod i det mittre området till utgångskanalen med högsta index och motsatt den andra ordningens mod transformerar till utgångs- kanalen med lägsta index.

Eftersom Y-utgàngsgrenens asymmetri elektrooptiskt kan ändras arbetar anordningen som en 2x2 omkopplare förutsatt att index- störningen är stor nog och att transformationen är adiabatisk.

Om noll spänning påförs elektroderna kommer en 3 dB-splittning att uppträda för båda signalerna.

Termen "digital" i samband med dessa omkopplare har att göra med överföringsfunktionen (effekt kopplad till omkopplarutgångarna som en funktion av påförd spänning). För interferometriska omkopplare, såsom riktkopplare, erhålls överföringsfunktioner med oscillationer i spänningsgensvaret. I fallet för den digitala optiska omkopplaren, visas ett modsorteringsuppträdande vilket grundas på modal utveckling och vilket betyder att denna oscillation inte erhålls (när indexskillnaden i ett speciellt fall är stor nog kommer fullständig omkoppling att ske och ingen ändring kommer att ske även om indexskillnaderna ökas ytterliga- re). Därför kommer överföringsfunktionerna att bli "digitala".

Medan den föreliggande uppfinningen har visats och beskrivits med hänvisning till speciella utföringsformer, kommer det att inses att variationer och modifikationer kan göras häri utan att avvika från uppfinningens omfattning. Därför avses det att de följande kraven täcker varje sådan variation och modifikation som faller innanför den sanna andemeningen och omfattningen av uppfinningen.

Claims (48)

513 450 20 PATENTKRAV

1. Optisk omkopplare innefattande: en X-snittad, monokristallin skiva av elektrooptiskt material, en första vågledare pà en övre yta av skivan, varvid en axel för den första vàgledaren är nästan parallell med skivans Z-axel, en andra och en tredje vågledare pà den övre ytan av skivan, varvid den första vågledaren och den andra och den tredje vågledaren skär varandra med en orientering för ett ben respekti- ve armar i en Y-form, en första elektrod näraliggande och väsentligen begränsad av den andra och tredje vågledaren, samt andra och tredje elektroder näraliggande den andra och tredje vågledaren och vardera motsatta den första elektroden i förhållande till den ena av den andra och tredje vågledaren.

2. Optisk omkopplare enligt krav 1, i vilken det elektrooptiska materialet innefattar ett polarisationsberoende material.

3. Optisk omkopplare enligt krav 2, i vilken den första, andra och tredje vågledaren inbegriper LiNbO,.

4. Optisk omkopplare enligt krav 1, i vilken den andra och tredje elektroden är elektriskt jordad.

5. Optisk omkopplare enligt krav 1, i vilken en första spänning pàförs den första elektroden.

6. Optisk omkopplare enligt krav 1, i vilken spänning páförs den andra och tredje elektroden.

7. Optisk omkopplare enligt krav 1, i vilken den första elektroden är elektriskt jordad.

8. Optisk omkopplare enligt krav l, i vilken den första vågledarens axel har en spetsig vinkel i förhållande till skivans Z-axel. 513 450 21

9. Optisk omkopplare enligt krav 8, :L vilken den spetsiga vinkeln har ett värde i området 0-20 grader.

10. Optisk omkopplare enligt krav 8, :i vilken den spetsiga vinkeln är ungefärligen lO°.

11. ll. Optisk omkopplare innefattande: en nästan Y-snittad, monokristallin skiva av elektrooptiskt material, en första vágledare vid en övre yta av skivan, varvid en axel för den första vàgledaren är nästan parallell med skivans Z-axel, en andra och en tredje vàgledare pà den övre ytan av skivan, varvid den första vågledaren samt den andra och tredje utgångs- vágledaren skär varandra med orienteringen för ett ben respektive armar i en Y-form, en första elektrod näraliggande och väsentligen samman- fallande med den andra vàgledaren, samt en andra elektrod näraliggande och 'väsentligen samman- fallande med den tredje vàgledaren.

12. Optisk omkopplare enligt krav ll, i vilken det elektrooptis- ka materialet innefattar ett polarisationsberoende material.

13. Optisk omkopplare enligt krav 12, i vilken det elektrooptis- ka materialet inbegriper LiNbOy

14. Optisk omkopplare enligt krav ll, i vilken den andra elektroden är elektriskt jordad.

15. Optisk omkopplare enligt krav ll, i vilken en spänningskälla matar en spänning till den första elektroden.

16. Optisk omkopplare enligt krav ll, i vilken spänning påförs den andra elektroden. 513 450 22

17. Optisk omkopplare enligt krav ll, i vilken den första èlektroden är elektriskt jordad.

18. Optisk omkopplare enligt krav ll, i vilken. den första vágledarens axel har en spetsig vinkel i förhållande till skivans Z-axel.

19. Optisk omkopplare enligt krav 18, i vilken den spetsiga vinkeln har ett värde i omrâdet 0-20 grader.

20. Optisk omkopplare enligt krav 18, i vilken den spetsiga vinkeln är ungefärligen 10 grader.

21. Optisk omkopplare enligt krav ll, i vilken en Y-axel för skivan har en andra spetsig vinkel i förhållande till skivans övre yta för att bilda detta nästan Y-snitt.

22. Optisk omkopplare enligt krav 21, i vilken den andra spetsiga vinkeln har ett värde i området 0-20 grader.

23. Optisk omkopplare enligt krav 21, i vilken den andra spetsiga vinkeln är ungefärligen 10 grader.

24. Optisk omkopplare enligt krav ll, i vilken skivans X-axel ligger i ett plan för skivans övre yta.

25. Optisk omkopplare 2x2, innefattande: en X-snittad, monokristallin skiva av elektrooptiskt material, en första, andra, tredje och fjärde vàgledare vid en övre yta av skivan respektive korsande med en orientering av armarna i en X-form och med en ungefärlig symmetriaxel mellan den första och andra samt den tredje och fjärde vàgledaren nästan parallell med skivans Z-axel, en första elektrod näraliggande och väsentligen begränsad av den tredje och fjärde vàgledaren, samt 513 450 23 andra och tredje elektroder näraliggande den tredje och fjärde vàgledaren, och vardera motsatta den första elektroden i förhållande till den ena av den tredje och fjärde vàgledaren.

26. Optisk omkopplare enligt krav 25, i vilken det elektrooptis- ka materialet innefattar ett polarisationsberoende material.

27. Optisk omkopplare enligt krav 25, i. vilken den första, andra, tredje och fjärde vàgledaren inbegriper LiNbO3.

28. Optisk omkopplare enligt krav 25, i vilken den andra och tredje elektroden är elektriskt jordade.

29. Optisk omkopplare enligt krav 25, i vilken en första spänning pàförs den första elektroden.

30. Optisk omkopplare enligt krav 25, i vilken spänning påförs den andra och tredje elektroden.

31. Optisk omkopplare enligt krav 25, i vilken den första elektroden är elektriskt jordad.

32. Optisk omkopplare enligt krav 25, i vilken den ungefärliga symmetriaxeln har en spetsig vinkel i förhållande till plattans Z-axel.

33. Optisk omkopplare enligt krav 32, i vilken den spetsiga vinkeln har ett värde i området 0-20 grader.

34. Optisk omkopplare enligt krav 33, i vilken den spetsiga vinkeln är ungefärligen 10 grader.

35. Optisk omkopplare 2x2, innefattande: en nästan Y-snittad, monokristallin platta av elektrooptiskt material, en första, andra, tredje och fjärde vàgledare vid en övre yta pá plattan respektive skärande med en orientering av armarna 513 450 24 i en X-form och med en ungefärlig symmetriaxel mellan den första och andra samt den tredje och fjärde vàgledaren som är nästan parallell med plattans Z-axel, en första elektrod näraliggande och väsentligen samman- fallande med den tredje vàgledaren, samt en andra elektrod näraliggande och väsentligen samman- fallande med den fjärde vàgledaren.

36. Optisk omkopplare enligt krav 35, i vilken det elektrooptis- ka materialet innefattar ett polarisationsberoende material.

37. Optisk omkopplare enligt krav 36, i vilken det elektrooptis- ka materialet inbegriper LiNbO3.

38. Optisk omkopplare enligt krav 35, i vilken den andra elektroden är elektriskt jordad.

39. Optisk omkopplare enligt krav 35, i vilken.en spänningskälla matar en spänning till den första elektroden.

40. Optisk omkopplare enligt krav 35, i vilken en spänningskälla matar en spänning till den andra elektroden.

41. Optisk omkopplare enligt krav 35, i vilken den första elektroden är elektriskt jordad.

42. Optisk omkopplare enligt krav 35, i vilken den första vàgledarens axel har en spetsig vinkel i förhållande till plattans Z-axel.

43. Optisk omkopplare enligt krav 42, i vilken den spetsiga vinkeln har ett värde i området O-20 grader.

44. Optisk omkopplare enligt krav 43, i vilken den spetsiga vinkeln är ungefärligen 10 grader. 513 450 25

45. Optisk omkopplare enligt krav 35, i vilken en Y-axel för plattan har en andra spetsig vinkel i förhållande till plattans övre yta för att bilda detta nästan Y-snitt.

46. Optisk omkopplare enligt krav 45, i vilken den andra spetsiga vinkeln har ett värde i området 0-20 grader.

47. Optisk omkopplare enligt krav 46, i vilken den andra spetsiga vinkeln är ungefärligen 10 grader.

48. Optisk omkopplare enligt krav 35, i vilken plattans X-axel ligger i ett plan för plattans övre yta.