DE10102866A1 - Polarisationstransformator und Verfahren zur Polarisationstransformation - Google Patents

Abstract

Der Polarisationstransformator (TRF1) auf doppelbrechendem Substratmaterial (SUB) weist eine Ausbreitungsrichtung (PRD) auf, welche von derjenigen Hauptachse (DMAX), bei deren Wahl als Ausbreitungsrichtung (PRD) sich der höchste Wert der Brechzahldifferenz (DELTAn) ergäbe, abweicht. Dadurch ergibt sich eine größere Periodenlänge (L) und eine Verwendbarkeit des Polarisationstransformators (TRF1) bei hohen Bitraten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Polarisationstransformator nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Polarisationstransformation nach Anspruch 4.

In der optischen Übertragungstechnik werden möglichst lange Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecken verwendet. Die Lichtwellenleiter sind herstellungsbedingt nicht vollständig isotrop. Wegen der langen Übertragungsstrecken ergibt sich durch Doppelbrechung der übertragenen optischen Signale eine frequenzabhängige Polarisationstransformation- Polarisationsmodendispersion oder kurz Polarisationsdispersion PMD genannt. Diese führt durch Änderung der Polarisation und der dadurch bedingten unterschiedlichen frequenzabhängigen Laufzeiten zur Verbreiterung gesendeter Impulse, wodurch empfangsseitig deren Erkennbarkeit reduziert und dadurch die übertragbare Datenrate begrenzt wird.

In der Offenlegungsschrift DE 198 39 990 und in Electronics Letters 35 (1999) 8, pp. 652-654 wurde bereits ein Polarisationsmodendispersion-Kompensator oder kurz PMD- Kompensator angegeben, der einen LiNbO3-Kristall mit X- Schnitt und Y-Ausbreitungsrichtung verwendet. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die nicht besonders große elektrooptische Effizienz, wodurch zur vollständigen Modenkonversion stets ein eine merkliche differentielle Gruppenlaufzeit aufweisendes Stück des Wellenleiters benötigt wird. Dies begrenzt die Bitrate, bei der dieser PMD- Kompensator eingesetzt werden kann, nach oben.

Dieser PMD-Kompensator besteht aus mehreren oder vielen Polarisationstransformatoren, die im "IEEE Journal of Quantum Electronics", Band 18, Nr. 4, April 1982, Seite 767 bis 771 beschrieben wurden, und ist daher auch ein Polarisations­ transformator. Mit Polarisationstransformator oder Polarisa­ tionstransformation ist im folgenden stets auch PMD- Kompensator bzw. PMD-Kompensation gemeint.

Zwar wurde in Opt. Lett., Band 11, S. 39-41, 1986 ein Polari­ sationstransformator angegeben, der optisch sehr breitbandig ist, doch diesem lag die Aufgabenstellung zugrunde, jegliche differentielle Gruppenlaufzeit zu eliminieren. Demzufolge ist er als PMD-Kompensator nicht verwendbar. Er verwendet auch ausschließlich einen relativ kleinen elektrooptischen Koeffi­ zienten r61, während die vorgenannten Polarisationstransfor­ matoren und PMD-Kompensatoren den viel größeren elektroopti­ schen Koeffizienten r51 verwenden und daher kurze Baulänge aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Pola­ risationstransformator und ein Verfahren zur Polarisations­ transformation anzugeben, der ausreichend kurze Baulänge auf­ weist und trotzdem bei sehr hohen Bitraten einsetzbar ist.

Die Aufgabe wird durch einen Polarisationstransformator nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Polarisationstransformation nach Anspruch 4 gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt dies durch Wahl einer Ausbreitungs­ richtung im Kristall, bei der eine geringere Brechzahldiffe­ renz vorliegt und demnach eine größere räumliche Periode für die vorhandenen periodischen Elektroden gewählt wird. Dadurch reichen die elektrischen Steuerfelder stärker bis in den Be­ reich des optischen Wellenleiters und vergrößern so die elektrooptische Effizienz. Außerdem wiese wegen der geringe­ ren Brechzahldifferenz selbst bei konstanter für eine Moden­ konversion notwendiger Länge des Wellenleiters dieser eine geringere differentielle Gruppenlaufzeit auf. Durch diese beiden Effekte weist der erfindungsgemäße Polarisationstransformator ausreichend kurze Baulänge auf und ist trotzdem bei sehr hohen Bitraten einsetzbar.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Polarisations­ transformators,

Fig. 2 eine Variante mit sich überkreuzenden elektrischen Leitungen,

Fig. 3 eine weitere Variante.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Polarisationstransfor­ mator TRF1. Dieser ist als Chip CH1 mit einem Lithiumniobat- Substrat SUB realisiert. Andere in Frage kommende Materialien sind Lithiumtantalat oder ähnliche hoch doppelbrechende Mate­ rialien.

Die kristallographischen Achsen Y und Z liegen in der Sub­ stratoberfläche, die kristallographische Achse X geht in die Zeichenebene hinein. Auf der Oberfläche des Kristalls ist ein Wellenleiter WG durch Titandiffusion realisiert. Der Wellen­ leiter WG ist einmodig. Die Ausbreitungsrichtung PRD der Wel­ len entlang des Wellenleiters WG verläuft unter einem Winkel THETA gegenüber der Achse Y geneigt. Die Achse Y ist diejeni­ ge Hauptachse DMAX, bei deren Wahl als Ausbreitungsrichtung PRD sich die höchste Brechzahldifferenz Δn ergäbe. Die Pro­ jektionen der Achsen Z bzw. Y auf die in der Substratoberflä­ che liegende und auf der Ausbreitungsrichtung PRD senkrecht stehende Transversalachse TRA sind proportional zu cos(THETA) bzw. sin(THETA); demnach ist in Fig. 1 ein negativer Winkel THETA von etwa -π/6 dargestellt. Zwischen Achsen X und Y, X und Z, X und PRD, X und TRA sowie PRD und TRA bestehen je­ weils rechte Winkel. Die Brechzahldifferenz Δn zwischen TE(transversal-elektrischen)- und TM(transversal- magnetischen)-Wellen beträgt etwa Δn = 0,07.cos²(THETA). Bei­ spielsweise erhält man durch THETA = ±pi/4 eine halbierte Brechzahldifferenz Δn.

Auf der Oberfläche des Substrats SUB sind elektrisch leitfä­ hige Interdigital-Elektroden aufgedampft, die die Form eines Kammes aufweisen, dessen Zinken (Stichleitungen, Finger) quer zum Wellenleiter angeordnet sind. Eine Elektrode M mit eben­ falls quer zum Wellenleiter angeordneten Zinken verläuft mä­ anderförmig über den gesamten Chip und kann an Masse gelegt werden (Masse-Elektrode). Die anderen kammförmigen Modenwand­ ler-Elektroden Eij (i = 1, 2; j = 1, 2. . .n) sind voneinander elektrisch isoliert. Eine Spannung Uij an einer Elektrode er­ zeugt ein elektrisches Feld im Wellenleiter WG, das perio­ disch in Ausbreitungsrichtung PRD oder entgegengesetzt hierzu verläuft. Direkt unter den Elektroden verläuft es periodisch in Richtung X oder entgegengesetzt hierzu. Die optische Welle bzw. das optische Signal OS durchläuft den Chip vom Eingang IN zum Ausgang OUT. Die Periodenlänge L zwischen den einzel­ nen Elektrodenzinken ist etwa gleich einer Schwebungswellen­ länge Λ zwischen TE- und TM-Welle gewählt. Eine Schwebungs­ wellenlänge Λ ist diejenige Länge, bei der der Retarder mit TE- und TM-Wellen als Eigenmoden gerade eine Phasenverzöge­ rung von 360° zwischen diesen Eigenmoden aufweist. Bei Misch­ polarisationen wiederholen diese sich deshalb periodisch in Abständen von Vielfachen einer Schwebungswellenlänge Λ. Die Schwebungswellenlänge Λ berechnet sich gemäß Λ = λ/Δn. Bei ei­ ner optischen Wellenlänge λ = 1550 nm und THETA = 0 ist die Schwe­ bungswellenlänge Λ = 22 µm. Bei THETA = ±pi/4 ist die Schwebungs­ wellenlänge dagegen auf Λ = 44 µm verdoppelt. Demzufolge wird die Periodenlänge L durch THETA = ±pi/4 auch von L = 22 µm auf L = 44 µm verdoppelt.

Es nicht i. a. egal, ob man einen bestimmten Wert des Winkels THETA oder sein Negatives wählt, also z. B. THETA = π/4 bzw. THETA = -π/4. Die elektrooptische Effizienz, die sich nach Lehrbuchmethoden berechnen läßt, ist nämlich proportional zu r51.cos(THETA) + r61.sin(THETA), wobei in LiNbO3 die anwendba­ ren elektrooptischen Koeffizienten r51 = 32,6 pm/V und r61 = - r22 = -6,8 pm/V sind. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich, daß in LiNbO3 ein negativer Wert -π/2 < THETA < 0 gegenüber einem Wert THETA gleichen Betrags aber positiven Vorzeichens zu bevorzugen ist.

Daher wird erstens die elektrooptische Effizienz ggf. sogar über die des ohnehin hohen Koeffizienten r51 hinaus angeho­ ben, zumindest aber nicht gänzlich auf die des niedrigen Ko­ effizienten r61 abgesenkt, zweitens läßt die größere Perio­ denlänge L gleichzeitig die elektrischen Felder tiefer in die Region des Wellenleiters WG hineinreichen läßt und verbessert so die elektrooptische Effizienz drastisch, und drittens ver­ größert sich durch die verringerte Brechzahldifferenz Δn die optische Bandbreite und verringert sich die für eine Moden­ konversion notwendige differentielle Gruppenlaufzeit.

Bei anderen elektrooptischen Koeffizienten oder Werten der­ selben oder Materialien und Kristallschnitten und Ausbrei­ tungsrichtungen können die zur erfindungsgemäßen Ausgestal­ tung des Polarisationstransformators erforderlichen Winkel THETA anders sein.

Die Zinkenbreite (Fingerbreite) und die Elektrodenabstände werden jeweils etwa gleich L/4 gewählt. Damit erhält man eine gleichförmige Struktur, in welcher Zinkenbreiten und Zwi­ schenräume gleich groß sind. Eine geringe Vergrößerung der Elektrodenabstände zu Lasten der Zinkenbreiten oder umge­ kehrt, jeweils unter Beibehaltung der Periodenlänge L, ist jedoch möglich und kann die elektrooptische Effizienz ggf. ein wenig erhöhen.

Um eine TE-TM-Konversion mit variabler Phase durchführen zu können, sind jeweils nach einigen Zinkenperioden zusätzliche Abstände von abwechselnd etwa L/4 und 3L/4 vorgesehen. Die Masse-Elektrode M hat an diesen Stellen jeweils eine Gesamt­ breite von etwa L/2, bzw. L (Die Masse-Elektrode zwischen den Moden-Elektroden und Zellen könnte im Prinzip auch schmaler gemacht werden oder durch Bonddrähte ersetzt werden). Damit erhält man Phasenverzögerungen zwischen TE- und TM-Wellen von 90° bzw. 270° - durch letztere wird die erstere wieder rück­ gängig gemacht -, so daß sich TE-TM-Wandlung mit unterschied­ lichem Phasenwinkel auswirkt.

Modenwandlerelektroden, welche entlang des Wellenleiters WG modulo einer Schwebungswellenlänge Λ, also mindestens nähe­ rungsweise auch modulo einer Periodenlänge L des Substratma­ terials identische Positionen aufweisen, können parallelge­ schaltet werden, aber müssen es nicht.

Parallelschaltung einer so großen Anzahl von Modenwandler­ elektroden E1j (j = 1, 2 . . . n) bzw. E1j (j = 1, 2 . . . n), bei gleichzeitiger Beschränkung auf so wenige Modenwandlerelekt­ roden E1j (j = 1, 2 . . . n) bzw. E1j (j = 1, 2 . . . n), daß wenige oder im Grenzfall sogar nur eine oder zwei elektrische Steuerlei­ tungen für Spannungen U11 = U12 = U13 = . . . = U1n bzw. U21 = U22 = U23 = . . . = U2n zur Verfügung stehen, macht aus dem zur PMD-Kompensation einsetzbaren Polarisationstransformator ei­ nen nur für einfache Polarisationstransformationen einsetzba­ ren Polarisationstransformator. Solche sind beispielsweise zur Polarisationsanpassung im wesentlichen monochromatischer Signale bei geringer oder verschwindender PMD einsetzbar, al­ so z. B. in kohärenten optischen Systemen oder vor einem als Demultiplexer in einem Übertragungssystem für optisches Pola­ risationsmultiplex verwendeten Polarisationsstrahlteiler.

Andererseits sind auch kleine Zinkenanzahlen bis herunter zum Wert 1 pro Modenwandlerelektrode Eij (i = 1, 2; j = 1, 2 . . . n) mög­ lich, was insbesonders für als sehr breitbandige PMD- Kompensatoren eingesetzte Polarisationstransformatoren nütz­ lich ist.

Falls man bereit ist, eine kompliziertere Verdrahtung auf dem Chip in Kauf zu nehmen, beispielsweise durch Überkreuzung elektrischer Leitungen, so kann mittels isolierender Zwi­ schenschichten die Variante TRF2 nach Fig. 2 realisiert wer­ den. Die Zinken der Moden-Elektroden E11 und E12; E21 und E22, . . . bis En1 und En2 liegen hier jeweils nacheinander zwischen zwei Zinken der Masse-Elektrode M. Bei gleicher Ma­ ximalstärke des longitudinalen elektrischen Feldes kann diese Variante Polarisationtransformationen auf einer etwas kürze­ ren Strecke ausführen als der Polarisationstransformator nach Fig. 1 und bietet daher eine größere Variabilität der Pola­ risationstransformation bei gleicher Gesamtlänge des Chips CH2. Die Periodizität der Elektrodenzinken beträgt weiterhin L. Deren Breite und die Abstände betragen etwa L/6. Es ist nicht erforderlich, größere Abstände bzw. Breiten der Masse- Elektrode einzuführen. Ansonsten ist diese Variante TRF2 mit der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Variante TRF1 identisch.

Die Realisierung des erfindungsgemäßen Polarisationstransfor­ mators durch LiNbO3 ist keineswegs die einzig mögliche. Ande­ re in Frage kommende Materialien sind LiTaO3, InP, GaAs und verschiedene Mischkristalle wie z. B. InGaAsP. Erfindungsgemäß wird durch Auswahl eines Kristallschnitts und einer Ausbrei­ tungsrichtung, die nicht die maximale Brechzahldifferenz zwi­ schen TE- und TM-Moden aufweisen, die Periodenlänge L vergrö­ ßert und so die Verwendbarkeit des Polarisationstransforma­ tors zu höheren Bitraten hin ausgedehnt. In Frage kommende elektrooptische Koeffizienten sind insbesondere r41, r42, r43, r51, r52, r53, r61, r62, r63.

Als ein weitere Variante TRF3 gemäß Fig. 3 wird ein Chip CH3 aus LiNbO3 mit Y-Schnitt und einer Ausbreitungsrichtung, die zwischen X-Achse und Z-Achse liegt, betrachtet. Hier ist die Achse X diejenige Hauptachse DMAX, bei deren Wahl als Aus­ breitungsrichtung PRD sich die höchste Brechzahldifferenz Δn ergäbe. Die Projektionen der Achsen Z bzw. X auf die in der Substratoberfläche liegende und auf der Ausbreitungsrichtung PRD senkrecht stehende Transversalachse TRA sind proportional zu cos(THETA) bzw. sin(THETA); demnach ist in Fig. 3 ein ne­ gativer Winkel THETA mit einem Wert von etwa -π/6 darge­ stellt. Zwischen Achsen Y und X, Y und Z, Y und PRD, Y und TRA sowie PRD und TRA bestehen jeweils rechte Winkel. Die e­ lektrooptische Effizienz ist hier nicht proportional zu r51.cos(THETA) + r61.sin(THETA), sondern zu r42.cos(THETA) + r62.sin(THETA). In LiNbO3 ist r62 = 0 und r42 = r51. Ansonsten ist diese Variante TRF3 mit der im Zusam­ menhang mit Fig. 2 beschriebenen Variante TRF2 identisch.

Bezugszeichenliste

TRF1, TRF2, TRF3 Polarisationstransformator
SUB Substrat
WG Wellenleiter
IN Eingang
OUT Ausgang
M Masse-Elektrode
U11, Uij (i = 1, 2; j = 1, 2 . . . n) Steuerspannung
E11, E21, Eij Modenwandler-Elektrode
L Periodenlänge
Λ Schwebungswellenlänge
X, Y, Z Achsen
TRA Transversalachse
DMAX Hauptachse
PRD Ausbreitungsrichtung
Δn Brechzahldifferenz
CH1, CH2, CH3 Chip

Claims (6)

1. Polarisationstransformator (TRF1 . . . TRF3) mit einem ent­ lang einer Ausbreitungsrichtung (PRD) verlaufenden Wellenlei­ ter (WG) mit zwei eine Brechzahldifferenz (Δn) aufweisenden Hauptmoden, der von einem optischen Signal (OS) durchlaufen wird, mit mehreren zur Umwandlung der Hauptmoden des Wellen­ leiters ineinander dienenden elektrooptischen Modenwandlern (E11, E21, . . .), dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Wert 0 und vom Wert π abweichender Winkel (THETA) zwischen der Ausbreitungsrichtung (PRD) und derjeni­ gen Hauptachse (DMAX) vorgesehen ist, bei deren Wahl als Aus­ breitungsrichtung (PRD) sich der höchste Wert der Brechzahl­ differenz (Δn) ergäbe.

2. Polarisationstransformator (TRF1 . . . TRF3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrooptischer Modenwandler (E11, E21, . . .) eine Periodenlänge (L) der Elektroden aufweist, die wenigstens nä­ herungsweise gleich der Schwebungswellenlänge (Λ) ist, wel­ che ihrerseits gleich der Wellenlänge des optischen Signals (OS) geteilt durch die Brechzahldifferenz (Δn) ist.

3. Polarisationstransformator (TRF1, TRF2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lithiumniobatkristall mit X-Schnitt eine in der Ebene der Achsen Y und Z liegende, aber zur Achse Y nicht pa­ rallel verlaufende Ausbreitungsrichtung (PRD) gewählt wird.

4. Verfahren zur Polarisationstransformation mittels eines Polarisationstransformator (TRF1 . . . TRF3) mit einem entlang einer Ausbreitungsrichtung (PRD) verlaufenden Wellenleiter (WG) mit zwei eine Brechzahldifferenz (Δn) aufweisenden Hauptmoden, der von einem optischen Signal (OS) durchlaufen wird, mit mehreren zur Umwandlung der Hauptmoden des Wellen­ leiters ineinander dienenden elektrooptischen Modenwandlern (E11, E21, . . .), dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Wert 0 und vom Wert π abweichender Winkel (THETA) zwischen der Ausbreitungsrichtung (PRD) und derjeni­ gen Hauptachse (DMAX) vorgesehen ist, bei deren Wahl als Aus­ breitungsrichtung (PRD) sich der höchste Wert der Brechzahl­ differenz (Δn) ergäbe.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Periodenlänge (L) der Elektroden eines elektroopti­ schen Modenwandlers (E11, E21, . . .) wenigstens näherungsweise gleich der Schwebungswellenlänge (Λ) gewählt wird, welche ihrerseits gleich der Wellenlänge des optischen Signals (OS) geteilt durch die Brechzahldifferenz (Δn) ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lithiumniobatkristall mit X-Schnitt eine in der Ebene der Achsen Y und Z liegende, aber zur Achse Y nicht pa­ rallel verlaufende Ausbreitungsrichtung (PRD) gewählt wird.