WO1996024868A1 - Streifen-wellenleiter und verwendungen - Google Patents

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light
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Andreas Rasch
Matthias Rottschalk
Jens-Peter Ruske
Volker Gröber
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Ldt Gmbh & Co. Laser-Display-Technologie Kg
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Definitions

  • the invention relates to an integrated optical strip waveguide.
  • the novel properties of the strip waveguide open up new areas of application which require modulation or switching and / or the spatial combination of light components of different wavelengths and / or at least one wavelength range.
  • the invention is related to the same day patent applications "Strip Splitter Linkers and Uses" and "Color Imaging Systems and Uses”.
  • One of the main approaches that has taken hold in integrated optics for the dimensioning of integrated optical strip waveguides and the components based on them is to determine the geometric and material parameters of the strip waveguide according to a specific wavelength given by the application objective to select appropriately. Due to the conditions of optical communications technology, in particular the transmission properties of the standardized single-mode and multimode optical fibers, the substrate materials and technologies of waveguide production available so far and the limits of conventional structure transmission processes (e.g. photolithography), integrated optics has so far almost exclusively been used for infrared wavelengths Area busy. against this background, it was not previously necessary in the integrated optics to use an optical bandwidth in the sense defined in this description namely to investigate the wavelength range in which the light is guided in a single-mode and efficient manner in a strip waveguide.
  • waveguides For effective modulation and / or switching of light, it is advantageous if waveguides only operate in the basic mode. Different wavelengths of light thus require different values of the characteristic waveguide parameters, which generally require the use of different waveguides for different wavelengths of light
  • Monomode optical fibers have the property, known per se, of effectively transmitting light from a large spectral range in a single mode, but so far no strip waveguide in or on a substrate material has been known which has the property of light of different wavelengths which have a wavelength difference greater than approximately 130 nm (specification applies to short-wave visible light) to run in one and the same strip waveguide with, technically, sufficient effectiveness in a single mode 4.
  • Object of the invention
  • the present invention has for its object to guide light of several wavelengths or wavelength ranges in one and the same strip waveguide.
  • the optical waveguide in the strip waveguide should, if desired, be switchable or modulatable.
  • the radiation of different wavelengths should, at a wavelength difference greater than about 130 nm (information applies to short-wave visible light), still be technically sufficient to be transmitted.
  • sensors with novel properties are to be developed.
  • Subclaim 20 is an embodiment of main claim 19.
  • the object of the invention for use as a sensor is achieved with the features of main claim 22.
  • the subclaims 23 to 25 are refinements of the main claim 22.
  • the invention consists in that it has been possible to produce a single-mode channel which is narrowly limited in two dimensions perpendicular to the direction of propagation of the light and which has the property of transmitting light in a comparatively broadband manner (claim 1).
  • Two-dimensionally narrowly defined means that a channel can be produced which, as a trench introduced into the substrate or as a strip applied to the substrate, represents the waveguiding structure which has a narrowly limited cross-sectional shape.
  • the cross-sectional shape can be arbitrary, in particular strip-shaped, rectangular, triangular, circular, elliptical or polygonal.
  • the trench or the applied strip are realized by a certain modification of a suitable substrate material or from a combination of at least two materials. The processes necessary for this are known per se. Broadband transmission of light is favored if the dispersion of the refractive index increase necessary for waveguiding, d ( n2 - n s ) / d ⁇ is greater than or equal to zero (claim 3)
  • a strip waveguide with a channel that is not narrowly defined has the property of transmitting light in a comparatively broadband manner if only the dispersion of the refractive index increase required for the waveguide, d (n2 - n s ) / d ⁇ , is greater or equal Is zero (claim 2)
  • EOBSW integrated-optical broadband strip waveguide
  • One-mode means that one and only one effective refractive index can be assigned to a given wavelength from a wavelength range (FIG. 7a)
  • the effective refractive index N e f of the mode carried out in EOBSW is at least 5x10 " ⁇ above the refractive index of the surrounding material n s where n s denotes the larger value of the substrate index n- j or the superstrate index n- ⁇ . This is a necessary prerequisite for achieving low values of the waveguide attenuation in the range of 1 dB / cm and for realizing a strip waveguide in this way.
  • the area of single mode is characterized by the technically efficient oscillation of the basic mode Noo at the wavelength ⁇ -
  • ⁇ i and ⁇ i + ⁇ are determined by the geometrical parameters of the strip waveguide and the media surrounding the strip waveguide. In principle, the minimum value of the usable
  • the minimum value is approximately 350 nm and the maximum value is approximately 4 ⁇ m.
  • the waveguide attenuation and the efficiency of the optical coupling between the EOBSW and a single-mode optical fiber should not change by more than 30% in the entire single-mode wavelength range, since light is generally used with the aid of single-mode optical fibers in the EOBSW is coupled.
  • conventional stripe waveguides it is not possible, for example, to guide red and blue light in one and the same stripe waveguide with a technically sufficient effectiveness.
  • the parameters refractive index of the substrate, refractive index of the superstrate, refractive index or one- or two-dimensional refractive index profile of the EOBSW, cross-sectional shape (for example width and depth) and position of the EOBSW in or on the substrate are dimensioned such that in a large wavelength range from ⁇ > 130 nm (information applies to short-wave visible light) EOBSW is guaranteed to operate in a single mode, i.e. one and only one effective refractive index can be assigned to a given wavelength from this range (in: W. Karthe, R. Müller, Integrated Optics, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G., Leipzig, 1991).
  • light waves of the entire visible wavelength range can be guided.
  • the guidance of the light waves in one and the same EOBSW is single-mode over the entire visible range and takes place, technically with the same effectiveness.
  • the EOBSW according to the invention are characterized by the specifically adapted processes for their production and by their specific properties. Physical requirements for the substrate material are the manufacturability of laterally narrowly defined structures (for example by utilizing diffusion anisotropy during ion exchange) and / or a dispersion of those necessary for waveguiding Refractive index increase compared to the material surrounding the EOBSW according to the formula
  • the EOBSW is manufactured using one of the following processes
  • KT1OPO4 KTP
  • EOBSW in and on a suitable substrate material, preferably Si by combining Si-S1O2-SiON and / or other oxidic and / or nitride layers,
  • optical strip waveguides in particular ion exchange or ion diffusion in dielectric crystals or ion exchange in glass, can advantageously be combined with the method of ion implantation in order to obtain narrowly defined structures
  • the EOBSW according to the invention enables light waveguiding, light modulation and / or switching of light within a wide spectral range.
  • the modulation of the phase, the amplitude and / or the polarization of the light takes place in the EOBSW according to one of the following principles
  • thermo-optical magneto-optical acousto-optical thermo-optical magneto-optical, opto-optical or photothermal cut-off modulation
  • the light can also be modulated outside the EOBSW; by
  • phase shifter e.g. Pockels cell
  • the modulation of the light in the EOBSW can be carried out in the phase, the amplitude and the direction of polarization
  • ⁇ ⁇ r has the influence according to the formula on the refractive index of the substrate material, and, to a good approximation, also on the effective refractive index of the guided mode
  • Refractive index of the material itself and / or the birefringence of the material can be changed For a certain linear polarization of light, n is reduced. on the effective refractive index n
  • Phase modulation means that the phase position of the guided mode
  • Amplitude modulation or intensity modulation in the EOBSW means either cut-off modulation or modulation using an integrated optical Fabry-Perot resonator Cut-off modulation means that for the waveguide necessary increase in the refractive index n2 - n s is reduced to such an extent that the attenuation of the waveguide mode increases strongly and, in extreme cases, no waveguide mode can be propagated.
  • the intensity of the light at the output of the EOBSW can thus be set between zero and a maximum value.
  • Polarization modulation means that a birefringence change induced due to the above-mentioned effect causes a change in the polarization state of the guided light.
  • the strip waveguide does not lose its property of guiding wavelengths of a wide spectral range in a single mode.
  • the properties of the EOBSW permit use, for example, for the purpose of measurement technology, sensors, photometry and spectroscopy, e.g. using interferometric methods, which provides the basis for a new microsystem component family.
  • wavelength-dependent modulation arrangement eg electro-absorption modulation, modulation of the light source, gray wedge
  • - low electro-optic modulation voltages a few volts
  • volume-optical Pockels or Kerr cell a few 100 volts
  • Integrated optical broadband strip waveguides for the entire visible wavelength range represent a basic innovation of integrated optics which enables a class of completely new principle solutions, for example in the multimedia area, in sensor technology, in measuring technology and spectroscopy
  • FIG. 1 shows the structure and the refractive index curve in one
  • FIG. 6 Rb KTP-EOBSW with phase modulator
  • FIG. 7 general illustration of the technically relevant wavelength range for the single-mode waveguide in an EOBSW
  • FIG. 8 uses of the EOBSW as a sensor 7 ways to practice the invention
  • FIG. 1 and in FIG. 2 The characteristics of a known titanium-diffused strip waveguide in LiNb ⁇ 3 are illustrated in FIG. 1 and in FIG. 2.
  • the characteristics of a single-mode integrated optical broadband strip waveguide (EOBSW) according to the invention are shown in terms of their bandwidth using a rubidium ⁇ potassium ion-exchanged strip waveguide in KTP in FIG. 3 and in FIG. 4.
  • the representation form of the effective refractive index N e ff z was based on the value of the refractive index of the substrate n-
  • An effective refractive index N e ff between n2 and the larger value of nj or n 3 can be assigned to each waveguide mode.
  • N e ff The value of N e ff depends on the wavelength, the substrate and waveguide refractive indices or refractive index profiles and the waveguide geometry.
  • Each mode with the index ik (i, k> 0, integer) is thus represented in the diagram by means of its effective refractive index as line Nj
  • the waveguide is single-mode if one and only one effective refractive index can be assigned to a given wavelength from a wavelength range.
  • the effective refractive index of the respective mode must be at least 5 x 10 " ⁇ above n-
  • FIG. 7a is a generalized representation of the wavelength range in the stripe waveguide that can be technically efficiently operated in a single mode.
  • FIG. 7b shows the single-mode feasible wavelength range for an EOBSW according to the invention in KTP and a conventional titanium-diffused strip waveguide in LiNb ⁇ 3 as a function of the wavelength itself.
  • FIG. 7b shows the range of the EOBSW according to the invention in general form of strip waveguides that correspond to the state of the art
  • FIG. 1 shows a strip waveguide 2 in a substrate material 1.
  • LiNb ⁇ 3 X-cut lithium niobate (LiNb ⁇ 3) performed titanium diffusion (R.V.
  • Titanium-diffused strip waveguides are not able to guide light with a bandwidth of several 100 nm in the visible wavelength range of the light in a single mode (see FIG. 7b).
  • the waveguide 2 is designed as a geometrically limited trench with the width a and the depth t.
  • the diagrams in FIG. 1 show the qualitative course of the refractive index in the x direction and in the y direction. Typical is the continuous transition of the refractive index curve in the x direction (the direction x "is shown ) and in the y direction (the direction y '" is shown ).
  • FIG. 2 shows the single-mode region in an exemplary titanium-diffused strip waveguide in X-cut LiNbOß
  • Z - crystallographic Z-axis corresponds to the x-axis in Figure 1) of the basic mode
  • NQQ and the 1st mode in the lateral direction represent NQI.
  • a w serves as the diffusion source
  • n w ni + (ri2 - ni) * exp (- (y '" ) 2 / a y 2 )
  • 0.0080; the dispersion of the substrate index n ⁇ is less than 0.
  • the value t ⁇ is the diffusion time, experience the error function (cf. J. Ctyroky, M. Hofman, J .
  • Couplers IEEE J. of Quantum Electron., Vol. QE-20 (1984), No. 4, pp. 400-409).
  • the strip waveguide described leads in the range from 490 nm to
  • the effective refractive indices were determined using the effective
  • FIG. 3 shows the single-mode integrated optical broadband strip waveguide (EOBSW) 2 according to the invention in the substrate material 1, in the example Z-cut KTiOPO 4 (KTP).
  • KTP Z-cut KTiOPO 4
  • the substrate material 1 is provided with a mask which leaves a gap only at the future waveguide position.
  • the rubidium-potassium ion exchange takes place in a melt of rubidium nitrate with parts of barium nitrate and potassium nitrate. Diffusion occurs predominantly only in the depth direction, with the following forms the refractive index profile described. In the lateral direction this results in a step profile of the refractive index.
  • the producibility of sharply delimited narrow structures is ensured, since the transfer from the mask into the waveguide takes place in a ratio of 1: 1 due to the almost lack of side diffusion.
  • the dispersion in the Rb: KTP waveguide is d (n2 - n ⁇
  • This dispersion favors the unimodality of the waveguide in a comparatively wide wavelength range ⁇ .
  • This EOBSW 2 is single-mode over a wavelength range of approx. 400 nm.
  • the EOBSW 2 is designed as a geometrically sharply defined trench with the width a and the depth t.
  • the diagrams in FIG. 3 show the qualitative course of the refractive index in the x direction and in the y direction. Typical are the sharp jump in the refractive index curve in the x direction (the direction x "is shown ) and the comparatively strong increase in the refractive index from n ⁇ to n2 in the y direction (the direction y 'is shown ).
  • Figure 4 shows the characteristics of a selected rubidium-potassium ion-exchanged EOBSW in KTiOPO
  • NQO and the 1st mode in the lateral direction represent NQI.
  • ⁇ 500 nm
  • ni 500 nm
  • the dispersion of the substrate index ni is less than zero (described in LP. Shi,
  • the effective refractive indices were calculated using the effective index method.
  • the production of the EOBSW described in the example is known per se.
  • the waveguide is made in a Z-cut potassium titanyl phosphate substrate material
  • Z-cut means that the crystal plane in which the waveguide is created is perpendicular to the crystallographic Z-axis.
  • Figure 5 shows possible cross-sectional shapes of the EOBSW in or on a
  • 5a shows the waveguides 2 embedded in the substrate material 1 as a rectangular, trapezoidal or triangular trench
  • FIG. 5b shows a waveguide 2 buried in the substrate material 1,
  • FIG. 5c shows the waveguides 2 placed on the substrate material 1 as a rectangular, trapezoidal or triangular channel
  • FIG. 5d shows waveguides 2 loaded with strips, a rectangular, trapezoidal or triangular strip 5 ensuring the lateral guidance of the light
  • Figure 5e shows rib or ridge waveguide
  • Figure 5f shows inverse ridge or inverse ridge waveguides.
  • optical parameters are set so that a
  • EOBSW arises as described in the description of FIGS. 3 and 4 for the case of
  • FIG. 6 shows the use of an EOBSW according to the invention with an electrode structure 4 for phase modulation of the light carried in the EOBSW 2.
  • the possibility of modulating the light is fulfilled by the use of a substrate material which allows the phase of an input signal to be influenced.
  • the input signal is light of a wavelength ⁇ or a plurality of discrete wavelengths ⁇ j and / or one or a plurality of wavelength ranges ⁇ j .
  • KTiOP ⁇ 4 offers the possibility of using electro-optical phase modulation.
  • the EOBSW 2 and electrodes 4 are arranged on a KTP substrate 1 in such a way that an electro-optical modulator is formed.
  • Light from a light source 3 is coupled into the input E of the EOBSW 2.
  • a voltage U applied to the electrodes 4 controls the phase of the light which is available at output A for further use.
  • the EOBSW has the property of guiding light in a wide spectral range ( ⁇ > 130 nm, information applies to short-wave visible light) in a single mode.
  • the EOBSW in FIG. 6 was cut in a Z -cut potassium titanyl phosphate
  • Substrate material (KTiOP ⁇ 4, KTP) produced by ion exchange (rubidium for potassium).
  • a ⁇ ( ⁇ N ⁇ ⁇ ⁇ cause a phase change, which can be described as follows:
  • r 33 as the linear electro-optical coefficient for Z-polarized light and an electric field in the Z direction, r the overlap factor between the electric field and the guided optical mode in the strip waveguide, d the electrode spacing and L the effective electrode length.
  • phase change ⁇ j is different for different wavelengths ⁇ j .
  • the control voltage U for complete modulation is between 0 and about 4 volts for electrode lengths in the millimeter range and electrode spacing in the ⁇ m range.
  • FIG. 7a shows a general representation of the technically relevant wavelength range for the single-mode waveguide in an EOBSW according to the invention.
  • the effective refractive index N e f must be at least 5x10 " ⁇ over n s , where n s is the larger
  • or the superstrate index n3 denotes, in order to ensure a sufficiently low waveguide attenuation, for example 1 dB / cm.
  • + ⁇ are determined by the geometrical-material parameters of the waveguide and the media surrounding the waveguide. In principle, the minimum value of the usable wavelength ⁇ min un
  • FIG. 7b shows the single-mode transmissible wavelength ranges ⁇ of the strip waveguide corresponding to the prior art, consisting of Ti: LiNb ⁇ 3, and the EOBSW (Rb: KTP) according to the invention as a function of the wavelength ⁇ .
  • the calculation of the effective refractive indices on which the one-mode transmissible wavelength ranges ⁇ are based was carried out using the effective index method analogous to FIGS. 2 and 4, where the calculation for the
  • Reference wavelength ⁇ i 500 nm was carried out.
  • were based on
  • Waveguide depth t then the waveguide width a until the respective mode starts to oscillate and finally the wavelength ⁇ until the disappearance of the
  • the upper limit of the single-mode transmissible wavelength range is the upper limit of the single-mode transmissible wavelength range.
  • the wavelength range depends on the reference wavelength ⁇ i. From the prior art, which corresponds to the conventional titanium-diffused strip waveguide in lithium niobate (Ti: LiNb ⁇ 3), it can be deduced that the size of the single-mode transmissible wavelength range ⁇ is the inequality
  • the area in which ⁇ corresponds to an EOBSW is identified in gray in FIG. 7b.
  • the single-mode drivable wavelength range is possibly limited by the limits of the optical transmission range of the substrate material, if so for
  • the inequality can also be used for longer or shorter wavelengths than shown in FIGS. 7a and 7b
  • FIG. 8 shows examples of the use of the EOBSW 2 in sensor applications.
  • the absorbing effect of a measuring medium gaseous, liquid, solid
  • the surface of the substrate material 1 is measured that comes into contact with the measuring medium, with the exception of the measuring medium
  • the measuring window 6 covers a buffer layer 7 (e.g. S1O2).
  • the evanescent field is only accessible in the area of the measuring window 6.
  • the measuring window 6 only leaves the EOBSW 2 free in an area with a defined length
  • Light is coupled in at input E of EOBSW 2.
  • output A of EOBSW 2 light influenced by the measuring medium is available for evaluation
  • An example is a photometric measurement with a receiver 8
  • the EOBSW 2 has the property of guiding light components of different wavelengths ⁇ from a broad spectrum of wavelengths
  • the measuring wavelength can be adapted to the medium to be examined and the substance parameter to be examined in a comparatively very large wavelength range. Measurements can be made on the measuring medium directly at the different wavelengths ⁇
  • the light components in the EOBSW can advantageously be modulated by an amplitude modulator (not shown) which corresponds to the EOBSW
  • an amplitude modulator (not shown) which corresponds to the EOBSW
  • the absorption of the measuring medium itself or by changing the surface scatter leads to a change in the waveguide attenuation. It is exploited that part of the electrical or magnetic field distribution is guided outside the strip waveguide itself in the case of guided waves (evanescent field). These field components can therefore be reached from outside the strip waveguide. If there is an absorbing medium on the strip waveguide, ie in the superstrate, the evanescent field itself, depending on the absorption, is damped or the surface scattering of the strip waveguide is changed by the application of a medium that is not necessarily absorbent to the measuring window 6. Both have the consequence that the waveguide attenuation changes, which can be measured with the photometer arrangement.
  • the propagation constant of the guided mode changes due to the influence of the measuring medium, which can be measured with an interferometer arrangement, e.g. by means of a Michelson interferometer according to FIG. 8b.
  • the substrate 1 with the EOBSW 2 is located in the light path between the beam splitter 10 and the reflector 9.
  • measuring window 6 is coated with a substance which reacts to physical, chemical or biological external influences and which influences the behavior of the guided light or the waveguide itself when the external influence acts.
  • the reflectivity at the waveguide surface B of the EOBSW 2 is determined as a measured variable in the sensor.
  • the measuring medium itself acts as a reflector 9 and is in contact or at a distance from the waveguide end surface B, or b) the reflector 9 is mirrored with a reactive substance or the reactive substance itself is the reflector 9, whereby the reactive substance changes its reflectivity depending on the surrounding measurement medium, or c) the reflector 9 is at a distance from the waveguide end surface B and the measurement medium is between the waveguide end surface B and the reflector 9.
  • additional beam-shaping devices can be dispensed with.
  • Output A which corresponds to input E, are via a beam splitter 10
  • the integrated optical implementation of the measuring arrangements according to FIG. 8 favors a miniaturized structure and microsystem applications.
  • the smallest sample quantities can be used with high sensitivity, since the measuring window 6 only has to be a little wider than the EOBSW 2 and the length of the
  • Measurement window can be in the millimeter range.
  • Wavelength range forms ⁇ j discrete wavelength ⁇ min minimum value of the optical transmission range
  • Strip waveguide a ⁇ intermediate value of a length in the x direction a y intermediate value of a length in the y direction
  • n w f (x, y) n- j refractive index of the substrate n2 refractive index of the waveguiding area on the surface n3 refractive index of the superstrate n 4 refractive index of the strip-shaped overlay (strip) n s refractive index of the substrate if n- j > n3 or
  • Refractive index of the superstrate if n3> n 1 n ,.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Streifen-Wellenleiter und seine Verwendungen als Schalter, Modulator und Sensor. Der Streifen-Wellenleiter (2) ist in oder auf das flächenhafte Substratmaterial (1) ein- oder aufgebracht und hat eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts geometrisch eng begrenzte, kanalförmige Struktur. Es wird ein einmodiger, integriert-optischer Breitband-Streifen-Wellenleiter beschrieben, der in der Lage ist, zum Beispiel Licht des gesamten sichtbaren Wellenlängenbereichs einmodig und effektiv, d.h. mit geringer optischer Dämpfung, zu führen und der somit einen echten einmodigen Weißlicht-Streifen-Wellenleiter darstellt. Das Licht ist bei Bedarf, zum Beispiel elektrooptisch, wellenlängenabhängig oder wellenlängenunabhängig schaltbar und modulierbar. Der Streifen-Wellenleiter (2) wird durch an sich bekannte Verfahren, z.B. zur Änderung des Brechungsindex, hergestellt.

Description

Beschreibung
1. Bezeichnung der Erfindung
Streifen-Wellenleiter und Verwendungen
2. Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Streifen-Wellenleiter. Durch die neuartigen Eigenschaften des Streifen-Wellenleiters ergeben sich neue Anwendungsgebiete, die ein Modulieren oder Schalten und/oder das räumliche Zusammenführen von Lichtanteilen unterschiedlicher Wellenlängen und/oder mindestens eines Wellenlängenbereiches erfordern. Die Erfindung steht im Zusammenhang mit den am gleichen Tag eingereichten Patentanmeldungen "Verbindungsaufspalter aus Streifen-Wellenleitern und Verwendungen" und "Farbbilderzeugungssysteme und Verwendungen".
3. Stand der Technik
Eine der hauptsächlichen Vorgehensweisen, die sich in der Integrierten Optik bei der Dimensionierung integriert-optischer Streifen-Wellenleiter und der auf ihnen beruhenden Bauelemente durchgesetzt hat, besteht darin, die geometrischen und stofflichen Parameter des Streifen-Wellenleiters entsprechend einer durch das Anwendungsziel gegebenen konkreten Wellenlänge in geeigneter Weise auszuwählen. Aufgrund der Gegebenheiten der optischen Nachrichtentechnik, hier insbesondere der Transmissionseigenschaften der standardisierten Einmoden- und Vielmodenlichtleitfasern, der bisher verfügbaren Substratmaterialien und Technologien der Wellenleiterherstellung und der Grenzen der herkömmlichen Strukturübertragungsverfahren (z.B. Photolithographie) hat sich die Integrierte Optik bisher fast ausschließlich mit Anwendungen bei Wellenlängen im infraroten Bereich beschäftigt. Vor diesem Hintergrund war es in der Integrierten Optik bisher auch nicht erforderlich, eine optische Bandbreite in dem in dieser Beschreibung definierten Sinne zu untersuchen nämlich den Wellenlangenbereich, in dem in einem Streifen- Wellenleiter das Licht gleichzeitig einmodig und effizient gefuhrt wird In der gesamten Literatur zur Integrierten Optik ist weder ein Streifen-Wellenleiter hinsichtlich dieser Fragestellung untersucht worden, noch existiert eine Darstellung des effektiven Brechungsindex des geführten Modus über der Wellenlange Es wurden demzufolge bisher weder theoretische Berechnungen zu dieser Frage veröffentlicht, noch Streifen- Wellenleiter vorgeschlagen, hergestellt oder untersucht, deren oben definierte optische Bandbreite einen Wellenlangenbereich von z B 400 nm, speziell aber den gesamten sichtbaren Wellenlangenbereich, umfaßt
Zum Übertragen, zum Modulieren und/oder zum Schalten von Licht mittels integriert- optischer Bauelemente ist es erforderlich, Lichtwellenleiter herzustellen, deren Funktion auf der Erhöhung der Brechzahl im wellenleitenden Bereich beruht, z B Streifen-Wellenleiter oder Lichtleitfasern (in W Karthe, R Muller, Integrierte Optik, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K -G , Leipzig, 1991) Eine weitere Möglichkeit der Lichtubertragung und Lichtmodulation bieten Quasiwellenleiter, z B ARROW (in M Mann, U Trutschel, C Wächter, L Leine, F Lederer, "Directional coupler based on an antiresonant reflectmg optical waveguide", Opt Lett , Vol 16 (1991), No 11, pp 805-807)
Für ein effektives Modulieren und/oder Schalten von Licht ist es vorteilhaft, wenn Wellenleiter nur den Grundmodus fuhren Verschiedene Wellenlangen des Lichts erfordern somit verschiedene Werte der charakteristischen Wellenleiterparameter, welche im allgemeinen die Verwendung verschiedener Wellenleiter für verschiedene Wellenlangen des Lichts erfordern
Monomode-Lichtleitfasern haben dagegen die an sich bekannte Eigenschaft, Licht eines großen spektralen Bereiches einmodig effektiv zu übertragen Bisher ist jedoch kein Streifen-Wellenleiter in oder auf einem Substratmateπal bekannt, der die Eigenschaft hat, Licht verschiedener Wellenlangen, die einen Wellenlangenunterschied großer als etwa 130 nm haben (Angabe gilt für kurzwelliges sichtbares Licht), in ein und demselben Streifen-Wellenleiter mit, technisch gesehen, ausreichender Effektivität einmodig zu fuhren 4. Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Licht mehrerer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche in ein und demselben Streifen-Wellenleiter einmodig zu führen. Dabei soll die Lichtwellenleitung im Streifen-Wellenleiter, wenn gewünscht, schaltbar oder modulierbar sein. Die Strahlung verschiedener Wellenlängen soll bei einem Wellenlängenunterschied größer als etwa 130 nm (Angabe gilt für kurzwelliges sichtbares Licht) noch mit, technisch gesehen, ausreichender Effektivität übertragbar sein. Weiterhin sollen Sensoren mit neuartigen Eigenschaften entwickelt werden.
5. Wesen der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Streifen-Wellenleiter mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 18 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 1.
Die Aufgabe der Erfindung zur Verwendung bezüglich Schaltbarkeit und Modulierbarkeit wird mit den Merkmalen des Anspruchs 19 oder des Anspruchs 21 gelöst. Der Unteranspruch 20 ist eine Ausgestaltung des Hauptanspruchs 19.
Die Aufgabe der Erfindung zur Verwendung als Sensor wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 22 gelöst. Die Unteransprüche 23 bis 25 sind Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 22.
Die Erfindung besteht darin, daß es gelungen ist, einen einmodigen, zweidimensional senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts eng begrenzten Kanal herzustellen, der die Eigenschaft hat, Licht vergleichsweise breitbandig zu übertragen (Anspruch 1 ). Zweidimensional eng begrenzt bedeutet, daß ein Kanal herstellbar ist, der als in das Substrat eingebrachter Graben oder als auf das Substrat aufgebrachter Streifen die wellenleitende Struktur darstellt, die eine eng begrenzte Querschnittsform hat. Die Querschnittsform kann beliebig, insbesondere streif enförm ig, rechteckig, dreieckförmig, kreisförmig, elliptisch oder vieleckig sein. Der Graben oder der aufgebrachte Streifen werden durch eine bestimmte Modifikation eines geeigneten Substratmatenais oder aus einer Kombination mindestens zweier Materialien realisiert Die dazu notwendigen Verfahren sind an sich bekannt Begünstigt wird die breitbandige Übertragung von Licht, wenn die Dispersion der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhohung, d(n2 - ns) / dλ großer oder gleich Null ist (Anspruch 3)
Weiterhin wurde gefunden, daß auch ein Streifen-Wellenleiter mit einem nicht eng begrenzten Kanal die Eigenschaft hat, Licht vergleichsweise breitbandig zu übertragen, wenn nur die Dispersion der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhohung, d(n2 - ns) / dλ, großer oder gleich Null ist (Anspruch 2)
In jedem Fall liegt ein einmodiger, integriert-optischer Breitband-Streifen-Wellenleiter, nachfolgend EOBSW genannt, vor, der in der Lage ist, Licht breitbandig und einmodig zu übertragen Breitbandig heißt, daß Strahlung verschiedener Wellenlangen, insbesondere des sichtbaren Lichts, mit einer Bandbreite
Δλ > 0,48 x λ - 85 nm (mit der Angabe von λ und Δλ in nm), mit einer technisch ausreichenden Effektivität einmodig übertragbar ist Das bedeutet für sichtbares Licht eine Bandbreite großer als etwa 100 nm (Figur 7b)
Einmodig heißt, daß zu jeder gegebenen Wellenlange aus einem Wellenlangenbereich ein und nur ein effektiver Brechungsindex zuordenbar ist (Figur 7a)
Licht wird hier im Sinne von sichtbarer und unsichtbarer, d h infraroter und ultravioletter, elektromagnetischer Strahlung verstanden Übertragung mit technisch ausreichender Effektivität heißt, daß der effektive Brechungsindex Nef des im EOBSW geführten Modus wenigstens 5x10"^ über dem Brechungsindex des umgebenden Materials ns liegen muß, wobei ns den jeweils größeren Wert des Substratindex n-j bzw des Superstratindex n-^ bezeichnet Das ist eine notwendige Voraussetzung, um niedrige Werte der Wellenleiterdämpfung im Bereich von 1 dB/cm zu erreichen und derart einen Streifen-Wellenleiter zu realisieren, der in der Technik effizient einsetzbar ist Zu jeder gegebenen Wellenlänge im Bereich zwischen λi und λ-|+Δλ ist ein und nur ein effektiver Brechungsindex, d.h. der effektive Brechungsindex des Grundmodus NQO. zuordenbar. Der Bereich der Einmodigkeit wird durch das, technisch gesehen, effiziente Anschwingen des Grundmodus Noo bei der Wellenlänge λ-|+Δλ einerseits und das, technisch gesehen, effiziente Anschwingen des ersten Modus in lateraler
Richtung Ngi oder des ersten Modus in Tiefenrichtung N-J Q Dei der Wellenlänge λi
andererseits bestimmt. Die Werte von λi und λi+Δλ werden durch die geometrisch¬ stofflichen Parameter des Streifen-Wellenleiters und der den Streifen-Wellenleiter umgebenden Medien bestimmt. Prinzipiell werden der minimale Wert der nutzbaren
Wellenlänge λmin und der maximale Wert der nutzbaren Wellenlänge λmax durch den Transmissionsbereich der verwendeten Materialien bestimmt. Für das Kristallmaterial KTΪOPO4 betragen zum Beispiel der minimale Wert etwa 350 nm und der maximale Wert etwa 4 μm.
Technisch effektiv bedeutet weiterhin, daß sich im gesamten einmodig führbaren Wellenlängenbereich die Wellenleiterdämpfung und die Effizienz der optischen Kopplung zwischen dem EOBSW und einer Einmoden-Lichtleitfaser um nicht mehr als 30% ändern sollen, da in der Regel Licht mit Hilfe von Einmoden-Lichtleitfasern in den EOBSW eingekoppelt wird. Mit herkömmlichen Streifen-Wellenleitern ist es nicht möglich, z.B. rotes und blaues Licht in ein und demselben Streifen-Wellenleiter einmodig mit technisch ausreichender Effektivität zu führen. Die Parameter Brechzahl des Substrates, Brechzahl des Superstrates, Brechzahl oder ein- oder zweidimensionales Brechzahlprofil des EOBSW, Querschnittsform (zum Beispiel Breite und Tiefe) und Lage des EOBSW in oder auf dem Substrat sind so dimensioniert, daß in einem großen Wellenlängenbereich von Δλ > 130 nm (Angabe gilt für kurzwelliges sichtbares Licht) ein einmodiger Betrieb des EOBSW gewährleistet ist, d.h. zu einer gegebenen Wellenlänge aus diesem Bereich jeweils ein und nur ein effektiver Brechungsindex zuordenbar ist (in: W. Karthe, R. Müller, Integrierte Optik, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G., Leipzig, 1991). Insbesondere können Lichtwellen des gesamten sichtbaren Wellenlangenbereiches gefuhrt werden Dabei ist die Fuhrung der Lichtwellen in ein und demselben EOBSW über den gesamten sichtbaren Bereich einmodig und erfolgt, technisch gesehen mit der gleichen Effektivität Somit liegt ein echter einmodiger Weiß cht-Streifeπ- Wellenleiter vor
Die erfindungsgemaßen EOBSW sind durch die spezifisch angepaßten Verfahren zu ihrer Herstellung und durch ihre spezifischen Eigenschaften charakterisiert Physikalische Anforderungen an das Substratmateπal sind die Herstellbarkeit lateral eng begrenzter Strukturen (z B durch Ausnutzung einer Diffusionsanisotropie beim lonenaustausch) und/oder eine Dispersion der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhohung gegenüber dem den EOBSW umgebenden Material entsprechend der Formel
— > 0 mit ns = n^ , falls n-j > n3 oder ns = n falls n^ > π-j
Der EOBSW wird nach einem der folgenden Verfahren hergestellt
- lonenaustausch bzw loneneindiffusion in dielektrischen Kristallen, wie KT1OPO4 (KTP), LιNbθ3 und LιTaθ3,
- lonenaustausch in Glas,
- Spritzguß-, Präge- bzw Schleuderverfahren mit Polymeren auf geeigneten Substraten, wie Si hierbei entstehen First- oder invertierte First- oder Petermannwellenleiter,
- EOBSW in ll-VI- oder Ill-V-Halbleιtermaterιalιen, hergestellt durch epitaktische Abscheideverfahren auf geeigneten Substraten wie S1O2,
- EOBSW in ll-VI- oder Ill-V-Halbleitermateπalien hergestellt durch Dotierung oder Legierung,
- EOBSW in HeteroStrukturen ternarer oder quatemarer ll-VI- oder Ill-V-Halbleιtermaterιalιen,
- First- oder invertierte First- oder Petermannwellenleiter in ll-VI- oder Ill-V-Halbleιtermaterιalιen, - EOBSW in und auf einem geeigneten Substratmaterial, vorzugsweise Si durch Kombination von Si- S1O2- SiON- und/oder anderer oxidischer und/oder Nitrid- Schichten,
- Sol-Gel-Prozesse auf geeigneten Substratmateπalien (S Pelli, G C Righini, A Verciam "Laser writing of optical waveguides in sol-gel films", SPIE 2213, International Symposium on Integrated Optics, pp 58-63, 1994)
- Ionenimplantation in allen vorgenannten Materialien
Die Verfahren zur Herstellung optischer Streifen-Wellenleiter, insbesondere lonenaustausch bzw loneneindiffusion in dielektrischen Kristallen oder lonenaustausch in Glas sind mit dem Verfahren der Ionenimplantation vorteilhaft kombinierbar, um eng begrenzte Strukturen zu erhalten
Der erfindungsgemaße EOBSW ermöglicht die Lichtwellenleitung, Lichtmodulation und/oder das Schalten von Licht innerhalb eines breiten Spektralbereiches Die Modulation der Phase, der Amplitude und/oder der Polarisation des Lichts erfolgt im EOBSW nach einem der folgenden Prinzipien
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, optooptische, oder photothermische Modulation,
- Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermatenalien,
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, optooptische oder photothermische Modulation unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes,
- Modulation durch Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermatenalien unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes,
- elektrooptische, akustooptische thermooptische magnetooptische, optooptische oder photothermische cut-off-Modulation,
- cut-off-Modulation aufgrund der Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermatenalien,
- steuerbare Wellenleiterverstarkung,
- steuerbare Polansationsdrehung,
- Wellenleiter-Modenwandlung oder
- Elektroabsorptionsmodulation Die Modulation des Lichts kann auch außerhalb des EOBSW erfolgen; durch
- Änderung der Koppeleffektivitat zwischen Lichtquelle und Streifen-Wellenleiter oder
- Modulation der Lichtquelle selbst oder weiterhin
- Lιchtabschwacher (z.B Graukeil) oder
- Phasenschieber (z B Pockelszelle) oder
- Pola sationsdreher als externe Bauelemente
Die Modulation des Lichts im EOBSW ist in der Phase, der Amplitude und der Polansationsrichtung erfolgbar
Ein äußeres elektrisches Feld Ee|Θ^r hat auf die Brechzahl des Substratmateπals, und in guter Näherung auch auf die effektive Brechzahl des geführten Modus, den Einfluß entsprechend der Formel
Figure imgf000010_0001
mit der Brechzahl des Materials n«, dem linearen elektrooptischen Tensor r^ und ι, j = 1 , 2, 3
Durch Wirksamwerden der entsprechenden Tensorkomponenten können entweder die
Brechzahl des Materials selbst und/oder die Doppelbrechung des Materials geändert werden Für eine bestimmte lineare Polarisation des Lichts reduziert sich n,. auf den wirkenden Brechungsindex n
Phasenmodulation bedeutet, daß die Phasenlage des geführten Modus durch
Änderung seiner Ausbreitungskonstanten, d.h seiner effektiven Brechzahl Neff, entsprechend der Formel άφ = (ANeff )L
wellenlangenabhangig geändert wird wobei L die Einwirkungslange des elektrischen Feldes auf den EOBSW bezeichnet, die im allgemeinen die wirksame Elektrodenlange ist Ferner gilt im Streifen-Wellenleiter
Figure imgf000010_0002
Amplitudenmodulation bzw Intensitatsmodulation im EOBSW bedeutet entweder cut- off-Modulation oder Modulation unter Verwendung eines integriert-optischen Fabry- Perot-Resonators Cut-off-Modulation bedeutet, daß die für die Wellenleitung notwendige Brechzahlerhöhung n2 - ns soweit verringert wird, daß die Dämpfung des Wellenleitermodus stark anwächst und im Extremfall kein Wellenleitermodus mehr ausbreitungsfähig ist. Somit kann die Intensität des Lichts am Ausgang des EOBSW zwischen Null und einem Maximalwert eingestellt werden. Polarisationsmodulation bedeutet, daß eine aufgrund des o.g. Effekts induzierte Doppelbrechungsänderung eine Änderung des Polarisationszustandes des geführten Lichts bewirkt.
Bei allen genannten Modulationsarten verliert der Streifen-Wellenleiter seine Eigenschaft nicht, Wellenlängen eines breiten Spektralbereiches einmodig zu führen.
Bei Nutzung der vorgenannten Prinzipien kann Licht des gesamten Spektrums des sichtbaren Lichts durch einen einzigen EOBSW einmodig geführt und moduliert werden.
Bei entsprechender Dimensionierung des EOBSW ist auch in anderen spektralen
Bereichen, z.B. im ultravioletten oder infraroten Wellenlängenbereich, eine gleichzeitige einmodige Führung von elektromagnetischer Strahlung mehrerer
Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche innerhalb eines Bereichs von Δλ > 0,48 x λ
- 85 nm möglich, wobei dieser Bereich durch den Transmissionsbereich der verwendeten Materialien begrenzt wird.
Die Eigenschaften des EOBSW erlauben eine Verwendung beispielsweise zum Zwecke der Meßtechnik, Sensorik, Photometrie und Spektroskopie, z.B. unter Ausnutzung interferometrischer Verfahren, wodurch die Grundlage für eine neue mikrosystemtechnische Bauelementefamilie gegeben ist.
Der erfindungsgemäße EOBSW bietet folgende Vorteile:
- einmodige breitbandige Übertragung von Licht;
- in technischem Sinne effektive Modulierbarkeit und/oder Schaltbarkeit des Lichts bis in den GHz-Bereich (nach dem derzeitigen Stand der Technik);
- je nach Erfordernis ist die Auswahl einer wellenlängenabhängigen Modulationsanordnung oder einer wellenlängenunabhängigen Modulationsanordnung (z.B. Elektroabsorptionsmodulation, Modulation der Lichtquelle, Graukeil) möglich; - niedrige elektrooptische Modulationsspannungen (einige Volt), im Vergleich zur volumenoptischen Pockels- oder Kerr-Zelle (einige 100 Volt) damit gute Kombinationsmoglichkeiten mit Verfahren, Strukturen und Bauelementen der Mikroelektronik,
- bei Einsatz von KTP als Substratmatenal sind hohe optische Leistungsdichten ohne störende Phasenanderungen im EOBSW fuhrbar (hohe Beständigkeit des Materials gegen lichtmduzierte Brechungsmdexanderung)
Integriert-optische Breitband-Streifen-Wellenleiter für den gesamten sichtbaren Wellenlangenbereich stellen eine Basisinnovation der Integrierten Optik dar die eine Klasse von völlig neuen Prinziplosungen zum Beispiel im Multimedia-Bereich, in der Sensorik, in der Meßtechnik und Spektroskopie ermöglicht
6 Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beschrieben Es zeigen Figur 1 Darstellung der Struktur und des Brechzahlverlaufes in einem
Ti LιNbO3-Streιfen-Wellenleιter, Figur 2 Einmodiger Bereich des Ti LiNbO -Streifen-Wellenleiters, Figur 3 Darstellung der Struktur und des Brechzahlverlaufes in einem
Rb KTP-EOBSW, Figur 4 Einmodiger Bereich des Rb KTP-EOBSW, Figur 5 Anordnungen der EOBSW in oder auf dem Substratmatenal und
Querschnittsformen der wellenleitenden Bereiche, Figur 6 Rb KTP-EOBSW mit Phasenmodulator, Figur 7 Allgemeine Darstellung des technisch relevanten Wellenlangenbereiches für die einmodige Wellenleitung in einem EOBSW, Figur 8 Verwendungen des EOBSW als Sensor 7 Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Charaktenstika eines bekannten Titan-emdiffuπdierten Streifen-Wellenleiters in LiNbθ3 werden in der Figur 1 und in der Figur 2 veranschaulicht. Demgegenüber werden die Charakteristika eines erfindungsgemäßen einmodigen integriert-optischen Breitband-Streifen-Wellenleiters (EOBSW) bezüglich seiner Bandbreite anhand eines Rubidium <→ Kalium-ionenausgetauschten Streifen- Wellenleiters in KTP in der Figur 3 und in der Figur 4 dargestellt. In der Figur 2 und in der Figur 4 wurde die Darstellungsform des effektiven Brechungsindex Neff z, bezogen auf den Wert des Brechungsindex des Substrates n-| als Funktion der Wellenlange λ gewählt. Jedem Wellenleitermodus kann eine effektive Brechzahl Neff zwischen n2 und dem größeren Wert von n-j bzw. n3 zugeordnet werden. Der Wert von Neff ist von der Wellenlänge, den Substrat- und Wellenleiterbrechzahlen bzw. -brechzahlprofilen und der Wellenleitergeometrie abhängig. Jeder Modus mit dem Index ik (i, k > 0, ganzzahlig) wird somit im Diagramm mittels seiner effektiven Brechzahl als Linie Nj|< dargestellt, wobei i die Ordnung der Tiefenmoden und k die Ordnung der Lateralmoden symbolisiert.
Der Wellenleiter ist einmodig, wenn zu einer gegebenen Wellenlänge aus einem Wellenlängenbereich ein und nur ein effektiver Brechungsindex zuordenbar ist. Für eine, technisch gesehen, ausreichende Führung des Lichts muß der effektive Brechungsindex des jeweiligen Modus mindestens 5 x 10"^ über n-| und/oder n3 liegen Die Bandbreite läßt sich somit direkt ablesen.
Figur 7a ist eine verallgemeinerte Darstellung des, technisch gesehen, einmodig effizient führbaren Wellenlängenbereichs im Streifen-Wellenleiter. Figur 7b zeigt den einmodig führbaren Wellenlangenbereich für einen erfindungsgemaßen EOBSW in KTP und einen herkömmlichen Titan-eindiffundierten Streifen-Wellenleiter in LiNbθ3 in Abhängigkeit von der Wellenlänge selbst Darüber hinaus wird in Figur 7b der Bereich der erfindungsgemäßen EOBSW in allgemeiner Form von Streifen-Wellenleitern, die dem Stand der Technik entsprechen, abgegrenzt
Die Figuren 1 und 2 erläutern zunächst die Verhältnisse am Beispiel eines Titaπ- eindiffundierten Streifen-Wellenleiters. Figur 1 zeigt einen Streifen-Wellenleiter 2 in einem Substratmaterial 1.
Zur Herstellung des herkömmlichen Streifen-Wellenleiters wird im Beispiel in
X-geschnittenem Lithiumniobat (LiNbθ3) eine Titaneindiffusion durchgeführt (R. V.
Schmidt, P. Kaminow, Appl. Phys. Lett., Vol. 25 (1974), No. 8, pp. 458-460). Dazu wird auf die Substratoberfläche ein Titanstreifen 11 aufgesputtert. Bei Temperaturen größer als 950°C diffundiert das Titan in den Kristall ein. In lateraler Richtung ist die Diffusionskonstante ca. doppelt so groß wie in Tiefenrichtung, deshalb verbreitert sich der Streifen stark. Das Brechzahlprofil erhält nach der Diffusionszeit t, und bei der Ausgangsstreifenbreite w eine Form, die durch die nachfolgenden Formeln beschrieben wird.
Titan-eindiffundierte Streifen-Wellenleiter sind nicht in der Lage, Licht einer Bandbreite von mehreren 100 nm im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts einmodig zu führen (vergleiche Figur 7b). Der Wellenleiter 2 ist als geometrisch wenig begrenzter Graben mit der Breite a und der Tiefe t ausgebildet.
Der Graben hat eine Brechzahlverteilung nw = f(x, y), mit der Oberflächenbrechzahl n2 = nw (χ = °' = 0). die gegenüber der Brechzahl n-| des umgebenden Substratmaterials erhöht ist. Die Diagramme in Figur 1 zeigen den qualitativen Verlauf der Brechzahl in x-Richtung und in y-Richtung. Typisch ist der stetige Übergang des Brechzahlverlaufes in der x-Richtung (dargestellt ist die Richtung x") und in der y- Richtung (dargestellt ist die Richtung y' ").
Figur 2 zeigt den einmodigen Bereich in einem beispielhaft ausgewählten Titan- eindiffundierten Streifen-Wellenleiter in X-geschnittenem LiNbOß
(X = kristallographische X-Achse, entspricht der y-Achse in Figur 1 ). Die Kurven stellen den effektiven Brechungsindex für Z-polarisiertes Licht (Ne ,
Z - kristallographische Z-Achse, entspricht der x-Achse in Figur 1 ) des Grundmodus
NQQ und des 1. Modus in lateraler Richtung NQI dar. Als Diffusionsquelle dient ein w =
3,0 μm breiter, 15 nm dicker, gesputterter Titan-Streifen. Die Diffusionstemperatur beträgt 1000°C, die Diffusionszeit 3 Stunden. Das Verhältnis der Diffusionskonstanten der Titan-Ionen im LiNbO beträgt
Dx / Dy * 2. Das Tiefenprofil berechnet sich nach nw = n-i + (ri2 - ni) * exp (- (y'")2 / ay 2), das laterale Brechzahlprofil berechnet sich nach nw= n-| + (n2 - rv|) * 0,5[erf( (2x*" + w) / 2ax) - erf( (2x'" - w) / 2ax)]. Hierbei ist ax = 2(Dx td)1 /2 und entspricht der Breite a/2 in Figur 1 , weiterhin ist ay = 2(Dy td)1 2 und entspricht der Tiefe t in Figur 1 und beträgt 2 μm. Bei λ = 500 nm beträgt ni = 2,2492; n2 - n<| = 0,0080; die Dispersion des Substratindex n<\ ist kleiner Null. Der Wert t^ ist die Diffusionszeit, erf die Fehlerfunktion (vgl. J. Ctyroky, M. Hofman, J.
Janta, J. Schröfel, "3-D Anaiysis o L/M.03: 77 Channel Waveguides and Directional
Couplers", IEEE J. of Quantum Electron., Vol. QE-20 (1984), No. 4, pp. 400-409).
Der beschriebene Streifen-Wellenleiter führt im Bereich von 490 nm bis
620 nm - in technisch effizientem Sinne - ausschließlich den Grundmodus, d.h. die
Bandbreite beträgt Δλ = 130 nm. Die effektiven Brechzahlen wurden mit der Effektiven-
Index-Methode (G.B. Hocker, W.K. Burns "Mode dispersion in diffυsed Channel waveguides by the effective index method", Appl. Optics, Vol. 16 (1977), No. 1 , pp. 113 - 118) berechnet.
Figur 3 zeigt den erfindungsgemäßen einmodigen integriert-optischen Breitband- Streifen-Wellenleiter (EOBSW) 2 in dem Substratmaterial 1 , im Beispiel Z- geschnittenes KTiOPO4 (KTP). (M. Rottschalk, J.-P. Ruske, K. Hornig, A. Rasch, "Fabrication and Characteπzation of Singlemode Channel Waveguides and Modulators in KT1OPO4 for the Short Visible Wavelength Region", SPIE 2213, International
Symposium on Integrated Optics (1994) pp. 152 - 163).
Das Substratmaterial 1 wird mit einer Maske versehen, die nur an der zukünftigen Wellenleiterposition einen Spalt frei läßt. Der Rubidium-Kalium lonenaustausch erfolgt in einer Schmelze aus Rubidiumnitrat mit Anteilen von Bariumnitrat und Kaliumnitrat. Eine Diffusion erfolgt vorwiegend nur in der Tiefenrichtung, wobei sich nachfolgend beschriebenes Brechzahlprofil ausbildet. In lateraler Richtung folgt daraus ein Stufenprofil der Brechzahl. Die Herstellbarkeit scharf begrenzter schmaler Strukturen ist gewährleistet, da die Übertragung von der Maske in den Wellenleiter infolge der nahezu fehlenden Seitendiffusion im Verhältnis 1 :1 erfolgt.
Die Dispersion im Rb:KTP-Wellenleiter ist d(n2 - n<| ) / dλ > 0. Diese Dispersion begünstigt die Einmodigkeit des Wellenleiters in einem vergleichsweise breiten Wellenlängenbereich Δλ. Dieser EOBSW 2 ist über einen Wellenlängenbereich von ca. 400 nm einmodig. Der EOBSW 2 ist als geometrisch scharf begrenzter Graben mit der Breite a und der Tiefe t ausgebildet. Der Graben hat eine Brechzahlverteilung nw = f(x, y), mit der Oberflächenbrechzahl n2 = nw (-a < x" < 0, y" = 0), die gegenüber der Brechzahl n-j des umgebenden Substratmaterials erhöht ist.
Die Diagramme in Figur 3 zeigen den qualitativen Verlauf der Brechzahl in x-Richtung und in y-Richtung. Typisch sind der scharfe Sprung des Brechzahlverlaufes in der x- Richtung (dargestellt ist die Richtung x") und der vergleichsweise starke Anstieg der Brechzahl von n^ auf n2 in der y-Richtung (dargestellt ist die Richtung y').
Figur 4 zeigt die Charakteristik eines ausgewählten erfindungsgemaßen Rubidium- Kalium-ionenausgetauschten EOBSW in KTiOPO
Die Kurven stellen den effektiven Brechungsindex für Z-polarisiertes Licht (Neff £. Z = kristallographische Z-Achse, entspricht der y-Achse in Figur 3) des Grundmodus
NQO und des 1. Modus in lateraler Richtung NQI dar. Bei λ = 500 nm beträgt ni =
1 ,9010; die Dispersion des Substratindex ni ist kleiner Null (beschrieben in LP. Shi,
Application ofcrystals of the KTιOPÖ4-type in the field of integrated optics, Dissertation
Univ. Köln (1992)).
Die effektiven Brechzahlen wurden mit der Effektiven-Index-Methode berechnet.
Weiterhin gilt n2 - n-| = 0,0037 = const. für den gesamten Wellenlängenbereich. Für die Diffusionskonstanten gilt
Dx / Dy * 10"3 Das laterale Brechzahlprofil ist ein Stufenprofil (vgl. Figur 3) mit der Breite a = 4,0 μm. Das Tiefenprofil errechnet sich nach nw = n<| + (n2 - n-| ) * erfc (-y'Vt) mit t = 4,0 μm, erfc = komplementäre Fehlerfunktion. Der im Beispiel beschriebene EOBSW führt im Bereich von 470 nm bis 870 nm, in technisch effizientem Sinne, ausschließlich den Grundmodus, d.h. die Bandbreite beträgt Δλ = 400 nm.
Die Herstellung des im Beispiel beschriebenen EOBSW ist an sich bekannt. Der Wellenleiter wird in einem Z -geschnittenen Kaliumtitanylphosphat-Substratmaterial
(KTiOPθ4, KTP) durch lonenaustausch des Rubidiums gegen Kalium hergestellt. (J.D. Bierlein, A. Ferretti, LH. Brixner, W. Y. Hsu, "Fabrication and characterization of optical waveguides in KTiOPO , Appl. Phys. Lett., Vol. 50 (1987), No. 8, pp. 1216-1218).
Z-geschnitten heißt, daß die Kristallebene, in der der Wellenleiter erzeugt wird, senkrecht zur kristallographischen Z -Achse liegt.
Es wird genutzt, daß die Diffusion beim lonenaustausch im wesentlichen nur in Tiefenrichtung auftritt
(J.D. Bierlein, H. Vanherzeele, "Potassium titanyl phosphate: properties and new applications", J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 6 (1989), No. 4, pp. 622 - 633).
Figur 5 zeigt mögliche Querschnittsformen des EOBSW in oder auf einem
Substratmaterial:
Figur 5a zeigt die in das Substratmaterial 1 eingebetteten Wellenleiter 2 als rechteckförmigen, trapezförmigen oder dreieckförmigen Graben,
Figur 5b zeigt einen im Substratmaterial 1 vergrabenen Wellenleiter 2,
Figur 5c zeigt die auf das Substratmaterial 1 aufgesetzten Wellenleiter 2 als rechteckförmigen, trapezförmigen oder dreieckförmigen Kanal,
Figur 5d zeigt streifenbelastete Wellenleiter 2, wobei ein rechteckförmiger, trapezförmiger oder dreieckförmiger Streifen 5 die laterale Führung des Lichts gewährleistet, Figur 5e zeigt Rippen- oder Firstwellenleiter und
Figur 5f zeigt inverse Rippen- oder inverse Firstwellenleiter.
Für alle Beispiele in Figur 5 werden die optischen Parameter so eingestellt, daß ein
EOBSW entsteht, wie er in der Beschreibung zu den Figuren 3 und 4 für den Fall von
Rb:KTP erläutert wurde.
Figur 6 zeigt die Verwendung eines erfindungsgemäßen EOBSW mit einer Elektrodenstruktur 4 zur Phasenmodulation des im EOBSW 2 geführten Lichts. Die Möglichkeit der Modulierbarkeit des Lichts ist durch die Verwendung eines Substratmaterials erfüllt, das eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Phase eines Eingangssignals zuläßt. Das Eingangssignal ist Licht einer Wellenlänge λ oder mehrerer diskreter Wellenlängen λj und/oder eines oder mehrerer Wellenlängenbereiche Δλj.
KTiOPθ4 bietet durch die Verwendung seiner hohen linearen elektrooptischen Koeffizienten die Möglichkeit der Anwendung der elektrooptischen Phasenmodulation. Auf einem KTP-Substrat 1 sind der EOBSW 2 und Elektroden 4 so angeordnet, daß ein elektrooptischer Modulator gebildet ist. Licht einer Lichtquelle 3 wird in den Eingang E des EOBSW 2 eingekoppelt. Eine an die Elektroden 4 angelegte Spannung U steuert die Phase des Lichts, das am Ausgang A zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht. Der EOBSW hat die Eigenschaft, Licht eines breiten Spektralbereiches (Δλ > 130 nm, Angabe gilt für kurzwelliges sichtbares Licht) einmodig zu führen.
Der EOBSW in Figur 6 wurde in einem Z -geschnittenen Kaliumtitanylphosphat-
Substratmaterial (KTiOPθ4, KTP) durch lonenaustausch (Rubidium gegen Kalium) hergestellt.
Um den höchsten Koeffizienten ^33 des linearen elektrooptischen Tensors r^ nutzen zu können, ist eine Elektrodenanordnung gemäß Figur 6 erforderlich, bei der auf der
Substratoberfläche eine erste Elektrode flächig neben dem Wellenleitergraben und eine zweite Elektrode mit dem EOBSW 2 überlappend aufgebracht sind. Mit Hilfe der an die Elektroden angelegten Spannung U werden im Wellenleiterbereich Komponenten eines elektrischen Feldes Ez in Z-Richtung (Z = kristallographische Z-
Achse, entspricht der y-Richtung in Figur 3) erzeugt. Entsprechend der Gleichungen
Figure imgf000019_0001
2 π
A φ = (ΔN^ μ λ bewirken diese eine Phasenänderung, die sich wie folgt beschreiben läßt:
Figure imgf000019_0002
mit r 33 als dem linearen elektrooptischen Koeffizienten für Z-polarisiertes Licht und einem elektrischen Feld in Z-Richtung, r dem Überlappungsfaktor zwischen dem elektrischen Feld und dem geführten optischen Modus im Streifen-Wellenleiter, d dem Elektrodenabstand und L der wirksamen Elektrodenlänge. Ferner gilt im Streifen-Wellenleiter
Δ«33 * Nef.7. ■
Für eine gegebene Steuerspannung U ist für verschiedene Wellenlängen λj die Phasenänderung Δψj verschieden.
In einem ersten Fall wird Licht einer diskreten Wellenlänge λ-j am Eingang E des EOBSW 2 eingekoppelt. Dieses Licht wird in der Phase moduliert. Die Wirkung entspricht derjenigen in einem bekannten Streifen-Wellenleiter.
In einem zweiten Fall werden mindestens zwei diskrete Wellenlängen λ-j und λ2 in den Eingang E des EOBSW 2 eingekoppelt. Entsprechend der angelegten Modulationsspannung ist aufgrund der oben angegebenen Beziehung die Phasenänderung Δφ<| ungleich der Phasenänderung Δq>2- Dabei verliert der EOBSW 2 nicht die Eigenschaft, Licht einmodig zu führen.
Die Modulation ist mit den heutigen technischen Gegebenheiten bis zu Frequenzen im GHz-Bereich möglich. Die Steuerspannung U zur vollständigen Durchmodulation liegt bei Elektrodenlängen im Millimeter-Bereich und Elektrodenabständen im μm-Bereich zwischen 0 und etwa 4 Volt.
Figur 7a zeigt eine allgemeine Darstellung des technisch relevanten Wellenlängenbereiches für die einmodige Wellenleitung in einem erfindungsgemäßen EOBSW gemäß des Anspruchs 1. Technisch relevant heißt, daß der effektive Brechungsindex Nef mindestens 5x10"^ über ns liegen muß, wobei ns den jeweils größeren Wert des Substratindex n<| bzw. des Superstratindex n3 bezeichnet, um eine hinreichend geringe Wellenleiterdämpfung, z.B. 1 dB/cm, zu gewährleisten. Zu jeder gegebenen Wellenlänge im Bereich zwischen λi und λi +Δλ ist ein und nur ein effektiver Brechungsindex, d.h. der effektive Brechungsindex des Grundmodus NQQ, zuordenbar.
Der Bereich der Einmodigkeit wird durch das, technisch gesehen, effiziente
Anschwingen des Grundmodus Noo bei der Wellenlänge λi+Δλ einerseits und das, technisch gesehen, effiziente Anschwingen des ersten Modus in lateraler Richtung N -J oder des ersten Modus in Tiefenrichtung N^ Q bei der Wellenlänge λi andererseits
bestimmt. Die Werte von λi und λ-|+Δλ werden durch die geometrisch-stofflichen Parameter des Wellenleiters und der den Wellenleiter umgebenden Medien bestimmt. Prinzipiell werden der minimale Wert der nutzbaren Wellenlänge λmin un der
maximale Wert der nutzbaren Wellenlänge λmax durch den Transmissionsbereich der verwendeten Materialien bestimmt.
Für das Kristallmaterial KTP betragen zum Beispiel λmin e wa 350 nm und λmax etwa 4 μm. Figur 7b zeigt die einmodig übertragbaren Wellenlängenbereiche Δλ des dem Stand der Technik entsprechenden Streifen-Wellenleiters, bestehend aus Ti:LiNbθ3, und des erfindungsgemaßen EOBSW (Rb:KTP) als Funktion der Wellenlänge λ. Die der Bestimmung der einmodig übertragbaren Wellenläπgenbereiche Δλ zugrundeliegende Berechnung der effektiven Brechungsindizes erfolgte mit Hilfe der Effektiven-Index-Methode analog der Figuren 2 und 4, wo die Berechnung für die
Bezugswellenlänge λi = 500 nm durchgeführt wurde.
Unter Zugrundelegung der bekannten Wellenlängenabhängigkeit (Dispersion) der für die Wellenleitung notwendigen Brechzahlerhöhung n2-nι sowie der
Wellenlängenabhängikeit (Dispersion) des Substratindex n-| wurden, ausgehend von
der konkreten Bezugswellenlänge λi , bei der Berechnung zunächst die
Wellenleitertiefe t, danach die Wellenleiterbreite a bis zum jeweiligen Anschwingen des ersten Modus und schließlich die Wellenlänge λ bis zum Verschwinden des
Grundmodus Noo variiert.
Die obere Begrenzung des einmodig übertragbaren Wellenlängenbereiches ist die
Wellenlänge λ-|+Δλ, bei der der effektive Brechungsindex des Streifen-Wellenleiters
-5 5x10 über dem Substratindex ni liegt. Die Größe des einmodig übertragbaren
Wellenlängenbereiches hängt von der Bezugswellenlänge λi ab. Aus dem Stand der Technik, der dem herkömmlichen Titan-eindiffundierten Streifen-Wellenleiter in Lithiumniobat (Ti:LiNbθ3) entspricht, läßt sich ableiten, daß die Größe des einmodig übertragbaren Wellenlängenbereichs Δλ die Ungleichung
Δλ > 0,48 λ - 85 nm (mit der Angabe von λ und Δλ in nm) erfüllen muß, um einen EOBSW, dem zum Beispiel der Rubidium-Kalium ionenausgetauschte Streifen-Wellenleiter in KTP (Rb:KTP) entspricht, zu charakterisieren. Das Gebiet, in dem Δλ einem EOBSW entspricht, ist in Figur 7b grau gekennzeichnet Der einmodig fuhrbare Wellenlangenbereich wird gegebenenfalls durch die Grenzen des optischen Transmissionsbereichs des Substratmateπals beschrankt, falls also zum
Beispiel λi < λmιn oder λi+Δλ > λmax seιn sollten (siehe Figur 7a)
Unter Verwendung geeigneter Substrat- bzw Wellenleitermatenalien laßt sich die Ungleichung auch für größere bzw kleinere Wellenlangen als in den Figuren 7a und 7b dargestellt anwenden
Figur 8 zeigt Beispiele zur Verwendung des EOBSW 2 in Sensoranwendungen Gemäß Figur 8a wird die absorbierende Wirkung eines Meßmediums (gasformig, flussig, fest) auf das im Superstrat befindliche evaneszente Feld der im EOBSW 2 geführten Welle gemessen und ausgewertet Hierzu wird die Oberflache des Substratmateπals 1 , die mit dem Meßmedium in Berührung kommt, mit Ausnahme der
Flache des Meßfensters 6, mit einer Pufferschicht 7 (z.B S1O2) abgedeckt Damit ist das evaneszente Feld nur im Bereich des Meßfensters 6 zugänglich Das Meßfenster 6 läßt den EOBSW 2 nur in einem Bereich mit einer definierten Lange frei
Am Eingang E des EOBSW 2 wird Licht eingekoppelt Am Ausgang A des EOBSW 2 steht durch das Meßmedium beeinflußtes Licht zur Auswertung zur Verfugung Zum
Beispiel erfolgt eine photometrische Messung mit einem Empfanger 8
Der EOBSW 2 hat die Eigenschaft, Lichtanteile verschiedener Wellenlangen λ, aus einem breiten Wellenlaπgenspektrum zu fuhren
Im Gegensatz zu bekannten Streifen-Wellenleitern kann die Meßwellenlange dem zu untersuchenden Medium und dem zu untersuchenden Stoffparameter in einem vergleichsweise sehr großen Wellenlangenbereich angepaßt werden Messungen können an dem Meßmedium unmittelbar bei den verschiedenen Wellenlangen λ, vorgenommen werden
Vorteilhafterweise können die Lichtanteile im EOBSW durch einen Amplitudenmodulator (nicht dargestellt), der mit dem EOBSW korrespondiert, moduliert werden Durch die Absorption des Meßmediums selbst oder durch Änderung der Oberflächenstreuung kommt es zu einer Änderung der Wellenleiterdämpfung. Es wird ausgenutzt, daß bei geführten Wellen ein Teil der elektrischen bzw. magnetischen Feldverteilung außerhalb des Streifen-Wellenleiters selbst geführt wird (evaneszentes Feld). Diese Feldanteile sind also von außerhalb des Streifen-Wellenleiters erreichbar. Wenn sich auf dem Streifen-Wellenleiter, d.h. im Superstrat, ein absorbierendes Medium befindet, wird also das evaneszente Feld selbst, je nach Absorption, gedämpft oder die Oberflächenstreuung des Streifen-Wellenleiters durch das Aufbringen eines nicht unbedingt absorbierenden Mediums auf das Meßfenster 6 verändert. Beides hat zur Folge, daß sich die Wellenleiterdämpfung ändert, was mit der Photometeranordnung meßbar ist.
Weiterhin ändert sich die Ausbreitungskonstante des geführten Modus auf Grund des Einflusses des Meßmediums, was mit einer Interferometeranordnung meßbar ist, z.B. mittels eines Michelson-Interferometers nach Figur 8b.
Das Substrat 1 mit dem EOBSW 2 befindet sich im Lichtweg zwischen dem Strahlteiler 10 und dem Reflektor 9.
Eine weitere Realisierungsvariante besteht darin, daß das Meßfenster 6 mit einer auf physikalische, chemische oder biologische äußere Einflüsse reagierenden Substanz beschichtet ist, die bei Einwirken des äußeren Einflusses das Verhalten des geführten Lichts oder des Wellenleiters selbst beeinflußt.
Gemäß Figur 8c wird bei dem Sensor die Reflektivität an der Wellenleitereπdfläche B des EOBSW 2 als Meßgröße ermittelt. Folgende Varianten sind vorgesehen: a) das Meßmedium wirkt selbst als Reflektor 9 und ist in Kontakt oder in einem Abstand von der Wellenleiterendfläche B, oder b) der Reflektor 9 ist mit einer reaktiven Substanz verspiegelt oder die reaktive Substanz ist selbst der Reflektor 9, wobei die reaktive Substanz in Abhängigkeit von dem umgebenden Meßmedium seine Reflektivität verändert, oder c ) der Reflektor 9 befindet sich in einem Abstand von der Wellenleiterendfläche B und das Meßmedium befindet sich zwischen der Wellenleiterendfläche B und dem Reflektor 9. Bei einem geringen Abstand, z.B. im Bereich einiger Mikrometer, kann auf zusätzliche strahlformende Einrichtungen verzichtet werden.
Bei dieser Anordnung wird Licht mindestens einer Wellenlänge λj - aus dem möglichen breiten Wellenlängenspektrum - in den Eingang E des EOBSW 2 eingekoppelt. Am
Ausgang A, der dem Eingang E entspricht, werden über einen Strahlteiler 10
Lichtanteile des vom Meßmedium beeinflußten reflektierten und/oder des
Fluoreszenzlichts gemessen.
Die integriert-optische Realisierung der Meßanordnungen gemäß Figur 8 begünstigt einen miniaturisierten Aufbau und mikrosystemtechnische Anwendungen.
Es können kleinste Probenmengen bei hoher Meßempfindlichkeit verwendet werden, da das Meßfenster 6 nur wenig breiter als der EOBSW 2 sein muß und die Länge des
Meßfensters im Millimeterbereich liegen kann.
Mit Hilfe der Meßanordnungen ist die Messung aller das Verhalten des geführten Lichts oder das Verhaltens des EOBSW 2 selbst beeinflussender physikalischer, biologischer und chemischer Größen von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern möglich.
Dabei ist bei einer vorgegebenen Meßanordnung, die einen EOBSW enthält, die freie
Auswahl von Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen aus einem breiten
Wellenlängenspektrum möglich.
8. Bezugszeichen und Formelzeichen
1 Substrat
2 Streifen-Wellenleiter (EOBSW)
3 Lichtquelle
4 Elektroden
5 streifenförmiges Overlay (Streifen)
6 Meßfenster
7 Pufferschicht
8 Empfänger
9 Reflektor
10 Strahlteiler
11 Titanstreifen λ Wellenlänge λi Wellenlänge, die den kurzwelligen Abschluß des einmodigen
Wellenlängenbereichs bildet λj diskrete Wellenlänge λmin minimaler Wert des optischen Transmissionsbereiches eines
Substratmaterials λmax maximaler Wert des optischen Transmissionsbereiches eines
Substratmaterials
Δλ Wellenlängenbereich für den einmodigen Betrieb des Streifen-
Wellenleiters φ Phase
Δφ Phasenänderung
Δψj Phasenänderung bezüglich der Wellenlänge λj
E Eingang
A Ausgang
B Wellenleiterendfläche
U Steuerspannung Sg Eingangssignal
S/^ Ausgangssignal a Breite der Struktur t Tiefe (Hohe) der Struktur w Ausgangsbreite des Titanstreifens bei der Eindiffusion
L wirksame Elektrodenlange d Elektrodenabstand x Koordinatenachse quer bzw lateral zum Streifen-Wellenleiter y Koordinatenachse in Tiefenrichtung bezüglich des
Streifen-Wellenleiters z Koordinatenachse in Ausbreitungsrichtung des Lichts im
Streifen-Wellenleiter
Dx, Dy, D2 Diffusionskonstanten
NQQ effektiver Brechungsindex des Grundmodus des Streifen-
Wellenleiters
NQ-) effektiver Brechungsindex des 1 Modus in lateraler Richtung
N-jg effektiver Brechungsindex des 1 Modus in Tiefenrichtung
Nef effektiver Brechungsindex des Streifen-Wellenleitermodus
Neff -> effektiver Brechungsindex des Z -polarisierten Modus des
Streifen-Wellenleiters aχ Zwischenwert einer Lange in x-Richtung ay Zwischenwert einer Lange in y-Richtung
L-J Diffusionszeit nw Brechzahlverteilung im wellenleitenden Bereich nw = f(x, y) n-j Brechzahl des Substrates n2 Brechzahl des wellenleitenden Bereiches an der Oberflache n3 Brechzahl des Superstrates n4 Brechzahl des streifenformigen Overlays (Streifens) ns Brechzahl des Substrates falls n-j > n3 oder
Brechzahl des Superstrates falls n3 > n1 n,. Brechzahlkomponente im Kristallmatenal dλ Wellenlängenabhängigkeit (Dispersion) der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhöhung
E|< Elektrische Feldstärkekomponente bezüglich der
Kristallrichtung k
Eelektr äußeres elektrisches Feld r Element des linearen elektrooptischen Tensors für das gegebene
Material r Überlappungsfaktor zwischen dem äußeren elektrischen Feld der
Elektrodenanordnung und dem optischen Feld des im Streifen- Wellenleiter geführten Modus
Z kristallographische Z-Achse
X kristallographische X-Achse

Claims

Patentansprüche
1 Streifen-Wellenleiter, bei dem in oder auf einem flachenhaften Substratmatenal (1 ) durch ein Verfahren zur Änderung des Brechungsindex eine kanalformige Struktur herstellbar ist oder eine kanalformige Struktur aus geeignetem Material aufbringbar ist, wobei die geometrisch-stofflichen Parameter des hierdurch entstehenden Streifen-Wellenleiters (2) in Abhängigkeit von dem zu übertragenden Wellenlangenbereich im UV-, sichtbaren und/oder IR-Gebiet so eingestellt sind, daß, bezogen auf die Wellenlange (λ), die Mindestbreite des Wellenlangenbereichs für eine einmodige Führung von Licht durch die Gleichung
Δλ = 0,48 χ λ - 85 nm gegeben ist (mit der Angabe von λ und Δλ in nm), wobei die Parameter Brechzahl des Substrates (n-) ), Brechzahl des Superstrates n^), Brechzahl der Brechzahlverteilung (f(x,y)) an der Oberflache (n2), Brechzahlverteilung im wellenleitenden Bereich (nw = f(x, y)), Querschnittsform (Breite a und Tiefe t) des Streifen-Wellenleiters und seine Lage im und/oder auf dem Substrat so dimensioniert sind, daß ein einmodiger Betrieb des Streifen-Wellenleiters (2) im Wellenlangenbereich
Δλ > 0,48 x λ - 85 nm (mit der Angabe von λ und Δλ in nm), gewahrleistet ist, d h zu jeder gegebenen Wellenlange (λ) im Bereich zwischen λ-| und λ-|+Δλ ein und nur ein effektiver Brechungsindex, d h der effektive Brechungsindex des Grundmodus (NQQ), zuordenbar ist und der Bereich der Einmodigkeit durch das, technisch gesehen, effiziente Anschwingen des Grundmodus (Nrjo) bei der Wellenlange λ<|+Δλ einerseits und das, technisch gesehen, effiziente Anschwingen des ersten Modus in lateraler Richtung (NQI ) oder des ersten Modus in Tiefenrichtung (N-J Q) bei der Wellenlange λ-| andererseits bestimmt ist, wobei Übertragung mit technisch ausreichender Effektivität heißt, daß der effektive
Brechungsindex Nef des im Streifen-Wellenleiter geführten Modus wenigstens 5x10"^ über dem Brechungsindex des umgebenden Materials ns liegen muß, wobei ns den jeweils größeren Wert des Substratindex n^ bzw des Superstratindex n3 bezeichnet und der minimal mögliche Wert der nutzbaren Wellenlange ( λmm) und der maximal mögliche Wert der nutzbaren Wellenlange (λmax) durch den Transmissionsbereich der verwendeten Materialien bestimmt sind, und somit der Streifen-Wellenleiter als ein einmodiger, integriert-optischer Breitband-Streifen-
Wellenleiter (EOBSW) definiert ist
2 Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 , bei dem die kanalformige Struktur zweidimensional, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts (z-Achse) eng begrenzt ist
3 Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 , bei dem die kanalformige Struktur zweidimensional, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des
Lichts (z-Achse) eng begrenzt ist und eine Wellenlangenabhangigkeit (Dispersion)
— ^ — — > 0 mit ns = n-| , falls n-| > n oder ns = n3, falls n3 > n^ iΛ der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhohung (n2 - ns) vorhanden ist
4 Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 , bei dem die kanalformige Struktur zweidimensional, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts (z-Achse) nicht eng begrenzt ist und eine Wellenlangenabhangigkeit (Dispersion)
— — — > 0 mit ns = n-i , falls n-t > n3 oder ns = n3, falls n3 > n-i dλ der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsindexerhohung (n2 - ns) vorhanden ist
5. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 , der aus Rubidiurτκ-»Kalium ionenausgetauschtem Kaliumtitanylphosphat (KTiOPθ4, KTP) besteht, bei dem die geometrisch-stofflichen Parameter so einstellbar sind, daß ein einmodiger Betrieb des Streifen-Wellenleiters (2) im Wellenlängenbereich
Δλ > 0,48 x λ - 85 nm (mit der Angabe von λ und Δλ in nm) gewährleistet ist, wobei der minimal mögliche Wert der nutzbaren Wellenlänge (λmjn et a 350 nm) und der maximal mögliche Wert der nutzbaren Wellenlänge (λ ax etwa 4 um) durch den optischen Transmissionsbereich von KTiOPθ4 bestimmt sind, und insbesondere der einmodig zu übertragende Wellenlängenbereich (Δλ) im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts einen Wellenlängenbereich größer 350 nm umfaßt und der EOBSW somit als ein einmodiger Weißlicht-Streifen-Wellenleiter definiert ist.
6. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 , bei dem die Querschnittsform des EOBSW (2) beliebig sein kann, insbesondere streifenförmig, rechteckig, elliptisch, kreisförmig, dreieckig oder vieleckig.
7. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 , bei dem die Struktur, die den EOBSW (2) bildet,
- als Kanal im Substratmaterial (1 ) vergraben,
- in die Oberfläche des Substratmaterials (1 ) eingebettet oder
- auf die Oberfläche des Substratmaterials (1 ) aufgebracht ist.
8. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 und Anspruch 6 und Anspruch 7, bei dem der Querschnitt des EOBSW (2) durch zwei Flächen parallel zur y-z-Ebene (y'-z'-Ebene, y"-z"-Ebene) und durch eine Ebene (x'-z '-Ebene) parallel zur Oberflächenebene (x"- z"-Ebene), die um einen Betrag unter (Tiefe t) oder über der Oberflächenebene liegt, begrenzt ist (Brechzahl-Graben in Figur 3 oder Brechzahlstufe).
9. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 , bei dem in Glas oder in dielektrischen Kristallen als Substratmaterial das Verfahren zur Änderung des Brechungsindex zur Herstellung des EOBSW (2) ein lonenaustauschverfahren oder eine loneneindiffusion ist.
10. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 9, bei dem in dielektrischen Kristallen, insbesondere in KTiOPθ4, eine Diffusionsanisotropie des Materials ausnutzbar ist, bei der die Diffusionskonstante in der Tiefen-Richtung groß gegenüber derjenigen in lateraler Richtung ist.
11. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 3, Anspruch 5 und Anspruch 10, bei dem ein Rubidium <-> Kalium ionenausgetauschter Streifen-Wellenleiter in Z-geschnittenem
Kaliumtitanylphosphat (KTiOPθ4, KTP) eingebettet ist und eine Diffusion überwiegend nur in Tiefenrichtung auftritt, womit die Forderung nach lateraler Begrenzung erfüllt ist, der Streifen-Wellenleiter in KTP nur eine schwache Dispersion der für die Wellenleitung erforderlichen Brechungsindexerhöhung im geforderten Wellenlängenbereich zeigt, weiterhin eine elektrooptische Modul ierbarkeit des Lichts durch die Verwendung des Substratmaterials KTP mit seinen hohen linearen elektrooptischen Koeffizienten gegeben ist.
12. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 und Anspruch 6 und Anspruch 7, bei dem bei EOBSW (2), die aus Polymeren und/oder Ormoceren auf einem geeigneten Substratmaterial (1), wie Silizium, bestehen, die wellenleitende Struktur durch ein Spritzguß- oder Präge- oder Schleuderverfahren aufbringbar ist.
13. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 und Anspruch 6 und Anspruch 7, bei dem bei ll-VI- oder Ill-V-Halbleitermaterialien als Substratmaterial (1 ) das Verfahren zur Änderung des Brechungsindex im wellenleitenden Bereich (2)
- ein epitaktisches Abscheideverfahren oder
- eine Dotierung oder
- eine Legierung ist oder - die Realisierung von Heterostruktureπ in ternaren oder quatemaren ll-VI- oder lll-V- Halbleitermateπalien ist oder
- ein Verfahren zur Herstellung eines First- oder Rippenwellenleiters oder eines invertierten First- oder Rippenwellenleiters ist.
14 Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 und Anspruch 6 und Anspruch 7, bei dem in oder auf einem geeigneten Substratmatenal (1 ), vorzugsweise Silizium, ein Verfahren zur Erzeugung des EOBSW (2) angewendet wird, bei dem Kombinationen von Si, Siθ2 und/oder SiON-Schichten und/oder anderer oxydischer und/oder Nitrid-Schichten erzeugbar sind
15. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 und Anspruch 6 und Anspruch 7. bei dem bei einem geeigneten Substratmatenal (1 ) das Verfahren zur Herstellung des EOBSW (2) ein Sol-Gel-Prozeß ist.
16. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 und Anspruch 6 und Anspruch 7, bei dem das Verfahren zur Änderung des Brechungsindex im wellenleitenden Bereich (2) bei Glas, bei dielektrischen Schichten und Kristallen, bei Polymeren und/oder Ormoceren, bei Sol-Gel-Schichten, bei ll-VI- oder Ill-V-Halbleitermaterialien, bei Si-, Siθ2-, SiON- Schichten und/oder bei andereren oxydischen und/oder Nitrid-Schichten eine Ionenimplantation ist.
17. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 9 bis Anspruch 16, bei dem die Verfahren zur Wellenleiterherstellung mit dem Verfahren der Ionenimplantation kombinierbar sind, um die eng begrenzte wellenleitende Struktur des EOBSW (2) zu erhalten.
18. Streifen-Wellenleiter nach Anspruch 1 , bei dem
- der EOBSW (2) als rechteckförmiger. trapezförmiger, dreieckförmiger, kreisförmiger, elliptischer oder vieleckiger Graben in das Substratmatenal eingebettet ist oder
- der EOBSW (2) im Substratmatenal vergraben ist oder - der EOBSW (2) als rechteckförmiger, trapezförmiger, dreieckförmiger oder vieleckiger Kanal auf das Substratmaterial aufgesetzt ist oder
- der EOBSW (2) ein streifenbelasteter Wellenleiter ist, der als rechteckförmiger, trapezförmiger, dreieckförmiger oder vieleckiger Kanal ausgebildet ist oder
- der EOBSW (2) ein Rippen- oder Firstwellenleiter oder ein inverser Rippen- oder Firstwellenleiter ist.
19. Verwendung des EOBSW als wellenlängenselektiver optischer Breitband- Schalter oder Breitband-Modulator zur Beeinflussung der Amplitude bzw. der Intensität, der Phase und/oder der Polarisation des Lichts im EOBSW (2), die auf einem der folgenden Prinzipien beruht:
- elektrooptische Modulation,
- akustooptische Modulation,
- thermooptische Modulation,
- magnetooptische Modulation,
- opto-optische Modulation,
- photothermische Modulation,
- Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, optooptische, oder photothermische Modulation unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes.
- Modulation durch Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes,
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, opto-optische oder photothermische cut-off-Modulation,
- cut-off-Modulation aufgrund der Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermatenalien,
- steuerbare Wellenleiterverstärkung,
- steuerbare Polarisationsdrehung,
- Wellenleiter-Modenwandlung oder bei der das wellenlangenselektive Schalten oder die Modulation des Lichts außerhalb des EOBSW (2) durch
- Phasenschieber (z B Pockelszelle) oder
- Polaπsationsdreher als externe Bauelemente durchgeführt wird
20 Verwendung des EOBSW nach Anspruch 19, bei dem bei einem geeigneten Substratmatenal und einer entsprechend geeigneten Modulatoranordnung bei im Wellenleiter geführtem Licht mindestens zweier diskreter Wellenlangen (λ,) und/oder eines oder mehrerer Wellenlangenbereiche (Δλ()
- die einmodige Fuhrung der unterschiedlichen Wellenlangen im EOBSW (2) gegeben ist, und
- mit Hilfe der Modulatoranordnung eine wellenlangenselektive Modulation erfolgbar
- - eine Phasenmodulation durch Änderung des effektiven Brechungsindex der geführten Welle ist oder die
- - eine Amplitudenmodulation bzw Intensitatsmodulation unter Nutzung eines Fabry-
Perot-Resonators ist oder die
- - eine Amplitudenmodulation bzw Intensitatsmodulation durch
Absenken des effektiven Brechungsindex auf den Brechungsindex des
Substrates (n^ ) oder des Superstrates (n3), d h eine cut-off Modulation, ist oder die
- - eine Beeinflussung des Polarisationszustandes des im Wellenleiter geführten Lichts ist, die durch eine gezielte Ausnutzung der Wirkung von Komponenten des linearen elektrooptischen Tensors (r,.^) realisierbar ist
21 Verwendung des EOBSW als wellenlangenunabhangiger optischer Breitband- Schalter oder Breitband-Modulator zur Beeinflussung der Amplitude bzw der Intensität des Lichts im Wellenleiter (2), die auf dem Prinzip der
- Elektroabsorptionsmodulation beruht oder bei der das wellenlangenunabhangige Schalten oder die Modulation des Lichts außerhalb des Wellenleiters durch
- Änderung der Koppeleffektivitat Lichtquelle - Wellenleiter oder
- Modulation der Lichtquelle selbst oder weiterhin - Lichtabschwächer (z.B. Graukeil) als externe Bauelemente oder
- steuerbare Polarisationsdreher in Verbindung mit polarisierenden Bauelementen oder polarisierenden EOBSW durchgeführt wird.
22. Verwendung des EOBSW als Sensor zur Detektion von Transmissions-, Reflexions- und/oder Streuungsänderungen und/oder Änderungen des effektiven Brechungsindex des geführten Modus im Streifen-Wellenleiter, bei dem Licht mindestens einer Wellenlänge aus einem breiten Wellenlängenspektrum am Eingang (E) des EOBSW (2) eingekoppelt wird und der Einfluß eines Meßmediums auf das im Streifen-Wellenleiter geführte Licht photometrisch oder interferometrisch bestimmt wird.
23. Verwendung des EOBSW als Sensor nach Anspruch 22, bei der der Einfluß des Meßmediums auf das evaneszente Feld des geführten Modus bestimmt wird, wobei das Meßmedium nur in einem Bereich des Streifen-Wellenleiters (Meßfenster 6) mit der Oberfläche des EOBSW (2) in Berührung kommt.
24. Verwendung des EOBSW als Sensor nach Anspruch 22, bei dem die Reflektivität des Wellenleiterausgangs bestimmt wird, indem a) das Meßmedium als Reflektor (9) wirkt und dieser in Kontakt oder in einem Abstand von der Wellenleiterendfläche (B) ist oder b) der Reflektor (9) mit einer reaktiven Substanz verspiegelt ist oder die reaktive Substanz selbst der Reflektor (9) ist, wobei die reaktive Substanz in Abhängigkeit von dem umgebenden Meßmedium seine Reflektivität verändert oder c) sich der Reflektor (9) in einem Abstand von der Wellenleiterendfläche
(B) befindet und sich das Meßmedium zwischen der Wellenleiterendfläche (B) und dem Reflektor (9) befindet und das rückreflektierte Licht und/oder das Flureszenzlicht gemessen wird.
25. Verwendung des EOBSW als Sensor nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, bei dem das Meßfenster (6) oder der Reflektor (9) mit einer reaktiven Substanz beschichtet wird, die in Abhängigkeit von dem umgebenden Meßmedium Eigenschaften ändert, die Einfluß auf das im EOBSW (2) geführte Licht haben.
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