DE2365972A1 - Optische wellenleitereinrichtung - Google Patents

Description

7640-73B H/Elf
Trennakte B
RCA 64,381

RCA Corporation,
New York, N.Y. (V.St.A.)

Optische Wellenleitereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Wellenleitereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

Wie aus "Applied Physics Letters", Band 19 (1971),Seiten 128 bis 130 bekannt ist, lassen sich "spannungsinduzierte" optische Wellenleiter dadurch realisieren, daß man den Brechungsindex eines für Lichtwellen im wesentlichen transparenten elektrooptischen Kristalls wie z.B. LiNbO₃ in einer bestimmten Zone erhöht. Für Kristalle mit einem positiven elektrooptischen Koeffizienten benötigt man hierzu einen positiv gerichteten Potentialgradienten, während ein negativer elektrooptischer Koeffizient einen negativ gerichteten Potentialgradienten erfordert. Die Zone veränderten Brechungsindexes wird durch Elektroden definiert, die auf ein- und derselben Oberfläche des Kristalls angeordnet sind. Die Elektroden können mittels eines normalen photolithographischen Verfahrens, wie es von der Herstellung gedruckter Schaltungen her bekannt ist, auf die Oberfläche eines Kristallblocks aus elektrooptischen! Material aufgebracht sein. Beim Anlegen einer Spannung an die paarweise nebeneinander liegendenElektroden kann bei ausreichend großem

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Potentialgradient in einer begrenzten Zone des Kristalls dessen Brechungsindex gegenüber dem Brechungsindex des Kristalls außerhalb dieser Zone so weit erhöht werden, daß die Zone als optischer Wellenleiter wirkt.

Bei vielen Kristallen, wie z.B. auch bei dem erwähnten LiNbO₃, hängt die Größe des elektrooptischen Koeffizienten von der Polarisation der sich im Kristall fortpflanzenden Lichtenergie ab, d.h. dieser Koeffizient ist für verschiedene Polarisationen unterschiedlich. Ein in einer Zone eines solchen elektrooptischen Kristalls gebildeter Lichtwellenleiter kann somit polarisationsselektiv wirken, d.h. er kann je nach dem Betrag des aufgeprägten Spannungsgradienten eine oder beide orthogonalen Polarisationskomponenten einer zugeführten Lichtwelle durchlassen und für verschiedene Polarisationen unterschiedliche Ausbreitungscfcarakteristiken zeigen.

Aus "The Bell System Techn. J." 48 (1969), Seiten 2059-2069 , ist ein sogenannter dielektrischer Wellenleiter bekannt, d.h. ein diffundierter Kanal mit gegebenem Brechungsindex innerhalb eines Glases mit anderem Brechungsindex, bei dem eine Folge von teilreflektierenden Quer linien aus Bereichen mit einem dritten Brechungsindex vorgesehen ist, deren Abstände ein ungerades Vielfaches einer Viertelwellenlänge sind .Dadurch soll ein Resonator gebildet werden, bei dessen Spitzenfrequenz die Reflexion verstärkt werden soll. Bei dieser Einrichtung besteht keine Möglichkeit zum elektrischen Induzieren von nicht permanenten Wellenleitern, und andererseits kommt das Eindiffundieren von Querlinien mit besonderem Brechungsindex bei Einrichtungen mit induzierten Wellenleitern nicht in Betracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung mit einem elektrisch induzierten Wellenleiter anzugeben, die als optisches Filter ausgebildet ist.

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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Einrichtung gelöst.

Eine solche Einrichtung kann allein durch die geometrische Form ihrer Elektroden als Filter arbeiten.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben:

Figur 1 zeigt schematisch einen optischen Wellenleiter des aus "Appl. Phys.Letters" 19, S.128-130 bekannten Typs;

Figur 2 zeigt schematisch eine Möglichkeit, wie man bei dem in Figur 1 dargestellten Wellenleiter die Eingangs-Lichtenergie an der einen Seite zuführen und die Ausgangs-Lichtenergie an der anderen Seite entnehmen kann;

Figur 3 zeigt einen elektrooptischen Kristall mit beabstandeten Elektroden, die eine periodische Struktur aufweisen.

Die Figur 1 zeigt einen optischen Wellenleiter des in der oben erwähnten Veröffentlichung beschriebenen Typs. Dieser Wellenleiter enthält einen Körper 10 aus elektrooptischen! Kristall, wie z.B. LiNbOg, welches für bestimmte Lichtwellen durchlässig ist. Die obere Fläche des Kristallkörpers 10 ist mit zwei Elektroden 12 und 14 belegt, die parallel und im Abstand zueinander verlaufen. Die Elektroden 12 und 14 definieren zwischen sich eine örtlich begrenzte dielektrische Zone 16 des Kristalls 10. Von einer SteuerSpannungsquelle 18 ist wenigstens eine Steuerspannung abnehmbar, die über die Leitungen 20 und 22 zwischen die Elektroden 12 und 14 gelegt wird. Wie später noch im einzelnen noch anhand der Figuren 3 und 4 beschrieben werden wird, kann die SteuerSpannungsquelle 18 auch mehrere

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Steuerspannungen liefern. In allen Fällen kann die von der Steuerspannungsquelle 18 an die Elektroden 12 und 14 gelegte Spannung eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein und entweder eine konstante oder eine sich zeitlich ändernde Amplitude haben. Wie mit den gestrichelten Linien 24 angedeutet ist/ erzeugt die zwischen den Elektroden 12 und 14 vorhandene Spannung ein elektrisches Feld dem Dielektrikum des Kristalls 10, und zwar in der Nähe der Zone 1.6. Die absolute Stärke dieses elektrischen Feldes hängt zwar vom Betrag der Spannung zwischen den Elektroden 12 und 14 ab, jedoch ist die relative Feldstärke (bzw. der Spannungsgradient), die durch den Abstand zwischen benachbarten gestrichelten Linien 24 angezeigt wird, an der oberen Fläche 10 des Kristalls unmittelbar zwischen den nebeneinanderliegenden Rändern der Elektroden und 14 stets am größten und nimmt mit zunehmender Tiefe im Kristall 10 oder mit zunehmenden Abstand von den nebeneinanderliegenden Rändern der Elektroden 12 und 14 ab.

Die Figur 2 zeigt neben dem Kristall 10, den Elektroden 12 und 14, der Zone 16, der Steuersignalquelle 18 und den Leitungen 20 und 22 eine Einrichtung für die Zuführung von Lichtenergie an einem Ende der Zone 16 und für die Entnahme dieser Lichtenergie am anderen Ende der Zone 16. Diese Einrichtung enthält eine Konvexlinse 25, die von einem Strahl 26 gegebener Lichtwellenenergie bestrahlt werden kann und so angeordnet ist, daß ihre Bildebene mit dem linken Ende der Zone 16 zusammenfällt, so daß die Lichtenergie des Strahls 24 auf das linke Ende der Zone 16 fokussiert wird. Im Falle der Figur 2 ist der Strahl 26 kollimiert, so daß die Bildebene der Linse 25 gleichzeitig die Brennebene ist. Im allgemeinen Fall (nicht dargestellt), d.h. wenn der Strahl 26 kein Parallelstrahl ist sondern entweder konvergiert oder divergiert, dann fällt die Bildebene der Linse 25 natürlich nicht mit ihrer Brennebene zusammen. In entsprechender Weise wird, wenn man das rechte Ende der Zone 16 in die Brennebene einer weiteren Konvexlinse

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legt, der vom rechten Ende der Zone 16 ausgehende divergierende Lichtstrahl zu einem parallelen Ausgangsstrahl 30.

Die Linsen 25 und 28 sind nur ein Beispiel dafür, wie man die Lichtenergie an der Zone 16 zuführen und entnehmen kann. Statt der Linse 25 und/oder der Linse 28 können in an sich bekannter Weise auch Prismen, Beugungsgitter oder holographische Koppler verwendet werden. Anstatt die Lichtenergie außerhalb zu erzeugen, und dann in den Kristall 10 zu koppeln, kann man auch eine Lichtquelle, wie z.B. einen Festkörperlaser direkt im Wellenleiteraufbau vorsehen. In ähnlicher Weise kann zur Bereitstellung eines elektrischen Ausgangssignals ein optoelektronisches Element wie z.B. ein Phototransistor, direkt in den Lichtwellenleiter eingebaut werden.

Es sei nun die Arbeitsweise des in den Figuren 1 und 2 dargestellten optischen Wellenleiters beschrieben. Wenn sich in einem optischen Medium mit relativ hohem Brechungsindex Licht ausbreitet und dieses Licht auf eine Grenze zwischen diesem Medium und einem Medium mit niedrigerem Brechungsindex trifft, dann wird es bekanntlich nur dann totalreflektiert, wenn sein Einfallswinkel an dieser Grenze gleich oder größer ist dem sogenannten Grenzwinkel der Totalreflexion. Der Sinus dieses Grenzwinkels ist gleich dem Verhältnis des niedrigeren Brechungsindex zum höheren Brechungsindex. Bei jedem dielektrischen Wellenleiter hängt der Einfallswinkel sowohl vom Schwingungstyp der dem Wellenleiter zugeführten Lichtenergie als auch vom Wert des höheren Brechungsindex des Dielektrikums ab.

Bei einem elektrooptischen Kristall wie z.B. dem Kristall 10 gibt es keine scharfe Grenze zwischen einem Bereich mit hohem Brechungsindex und einem Bereich mit niedrigem Brechungsindex. Solange jedoch der Spannungsgradient zwischen den Elektroden 12 und 16 einen bestimmten Mindestwert überschreitet, (der abhängt vom elektrooptischen Koeffizienten des Kristalls 10 und vom Schwingungstyp der am linken Ende der Zone 16 einge-

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koppelten Lichtenergie), wird das Licht auf seinem Weg vom linken Ende zum rechten Ende durch Totalreflexion innerhalb der Zone 16 gehalten. Die effektive Tiefe und in geringerem Ausmaß auch die effektive Breite der Zone 16, in der die Totalreflexion stattfindet, ist nicht konstant sondern ändert sich als direkte Funktion des Werts der zwischen den Elektroden 12 und 14 liegenden Spannung.

Da die verfügbaren elektrooptischen Kristalle relativ kleine elektrooptische Koeffizienten haben, räuß man normalerweise für verhältnismässig hohe Spannungsgradienten sorgen (bei LiNbOq z.B. in der Größenordnung von einer Million Volt pro Meter), damit sich der Brechungsindex des Kristalls stark genug ändert. Wenn man also die angelegte Spannung in vernünftigen Grenzen halten will, dann muß man die Breite der Zone 16 zwischen den benachbarten Rändern der Elektroden 12 und 14 ziemlich klein halten. Diese Breite beträgt z.B. nur 70 ,um. Um zu verhindern, daß sich zwischen den Elektroden und 14 infolge der angelegten Spannung Lichtbogen bilden, sollten die Elektroden lackiert sein. Das Vorhandensein eines hohen Gleichspannungsgradienten in bestimmten Bereichen des Kristalls bringt außerdem die Gefahr mit sich, daß der Brechungsindex dieser Bereiche bleibend verändert wird. Dies läßt sich dadurch verhindern, daß man mittels der Steuersignalquelle 18 eine Wechselspannung z.B. von 60 Hz zwischen die Elektroden 12 und 14 legt. In diesem Fall wirkt die Zone 16 jedoch nur während Zeiten der positiven Halbwellen der Wechselspannung als Wellenleiter.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte einfache spannungsinduzierte Wellenleiter kann in unterschiedlicher Weise arbeiten, je nach der Art, der von der Steuersignalquelle 18 zwischen die Elektroden 12 und 14 angelegten Spannung. Wenn beispielsweise eine feste Gleichspannung oder eine Wechselspannung mit fester Amplitude geeigneter Höhe zwischen die Elektroden 12 und 14 gelegt wird, arbeitet der durch die Zone 16 ge-

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bildete Wellenleiter lediglich als optische Leitung. Wenn jedoch die Steuersignalquelle 18 so betrieben wird, daß sie die Spannung entsprechend einem digitalen Signal ein- und ausschaltet, dann erhält man einen Digitalmodulator, in welchem die Lichtenergie nur während derjenigen Zeitabschnitte vom linken zum rechten Ende der Zone 16 übertragen wird, in denen die Steuersignalquelle 18 die Spannung zwischen den Elektroden 12 und 14 einschaltet. Während der restlichen Zeiten, d.h. wenn zwischen den Elektroden 12 und 14 keine Spannung liegt, wird das am linken Ende der Zone 16 eintretende Licht über den gesamten Kristall 10 gestreut und tritt nicht am rechten Ende der Zone 16 aus. Wenn man die Amplitude der von der Steuersignalquelle 18 an die Elektroden 12 und 14 gelegten Spannung entsprechend einem Analogsignal verändert, dann kann der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Wellenleiter als Analogmodulator arbeiten. In diesem Fall ändert sich die effektive Grenze der Zone 16 aus den oben beschriebenen Gründen mit der Augenblicksamplitude der angelegten Analogspannung, denn die Tiefe der Zone 16 ist bei höheren Amplituden größer als bei niedrigeren Amplituden. Je nach der Augenblicksamplitude des Analogsignals wird also lein mehr oder weniger großer Teil des von dem fokussierten Lichtstrahl am linken Ende des Kristalls 10 erzeugten Lichtflecks innerhalb der Grenze der Zone 16 liegen, während der übrige Teil auf das Gebiet außerhalb dieser Grenze fällt. Nur der innerhalb der besagten Grenze liegende Anteil wird durch den Wellenleiter zum rechten Ende übertragen, und der restliche Teil wird über den Kristall 10 abgestreut. Somit ändert sich die Intensität der ausgangsseitigen Lichtenergie in Übereinstimmung mit der zwischen die Elektroden 12 und 14 gelegten Analogspannung.

Gegenüber dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten simplen Fall zweier paralleler Elektroden lassen sich durch besonders gewählte Konfigurationen beabstandeter Elektroden kompliziertere Wellenleiteranordnungen schaffen, die man so ausbilden kann, daß sie die ihnen zugeführte Lichtenergie in einer Weise über-

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tragen, die von der jeweils gewählten Elektrodenkonfiguration abhängt. Man erhält dadurch kompliziertere optische Systeme, die ganz bestimmte Funktionen durchführen können.

Die Figur 3 zeigt einen elektrooptischen Kristall 10c, der auf einer seiner Oberflächen ein Elektrodenpaar mit einer periodischen Struktur trägt. Dieses Elektrodenpaar besteht im vorliegenden Fall aus zwei parallelen Elektroden 55 und 56, die zwischen sich eine Zone 57 definieren. Die Elektrode 55 hat eine Vielzahl von in die Zone 57 ragenden VorSprüngen, die in gleichmassigem Abstand längs der Elektrode angeordnet sind. Die Elektrode 56 enthält eine Vielzahl ähnlicher Vorsprünge 59. Wie in der Figur 3 zu erkennen ist, sind jeweils zwei entsprechende Vorsprünge 58 und 59 jeweils in einer senkrecht zu den Elektroden 55 und 56 verlaufenden gemeinsamen Linie ausgerichtet.

Wenn zwischen die Elektrode 55 und 56 eine geeignete Spannung gelegt wird, dann wirkt die Zone 57 als Wellenleiter für am Eingang zugeführte Lichtenergie, wie oben im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde. Die im Falle der Figur 3 durch die Vorsprünge 58 und 59 gebildete periodische Struktur hat jedoch zur Folge, daß Licht mit einer Wellenlänge, die ein bestimmtes Verhältnis zum Abstand aufeinanderfolgender Vorsprünge 58 und 59 längs der Zone 57 hat, nicht durch den Wellenleiter gelangt, sondern zurückreflektiert wird. Dies gilt für solches Licht, bei welchem dieser Abstand ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge ist. Die in Figur 3 gezeigte Anordnung kann daher als Sperrfilter arbeiten. Die Anordnung erlaubt eine Fortpflanzung der Lichtenergie in beiden Richtungen.

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Claims (3)

Patentansprüche

1.) Optische Wellenleitereinrichtung mit einem Körper aus elektrooptischem, für zu leitende Lichtwellen im wesentlichen durchlässigem Kristall und mehreren beabstandeten Elektroden/ die alle auf derselben Oberfläche des Kristalls angeordnet sind und mindestens ein Paar von im Abstand nebeneinanderliegenden Elektroden bilden, welche zwischen sich eine Kristallzone begrenzen, die beim Anlegen einer gegebenen Spannung zwischen den Elektroden des Paars als Wellenleiter für die zu leitenden Lichtwellen wirkt, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (55,56) des Elektrodenpaars in ihrer geometrischen Anordnung eine in Längsrichtung periodische Struktur (58, 59) aufweisen, deren Elemente Lägnsabstände haben, die ein ganzzahiiges Vielfaches der halben Wellenlänge von Lichtenergie einer gegebenen Wellenlänge sind, um den Durchlaß von Lichtenergie mit einer zur Periodizität dieser Struktur in bestimmter Beziehung stehenden Wellenlänge zu sperren und Lichtenergie mit anderen Wellenlängen durchzulassen.

2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Struktur durch eine Vielzahl von Vorsprüngen (58,59) gebildet ist, die an zwei im wesentlichen parallel beabstandeten Teilen des Elektrodenpaars (55,56) angebracht sind und im wesentlichen senkrecht dazu in die zwischen diesen Teilen definierte Zone (57) ragen und in Längsrichtung der Teile des Elektrodenpaars gleichmässige Abstände voneinander haben.

3.) Einrichtung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet , daß jeder Vorsprung (58) der einen Elektrode (55) des Elektrodenpaars mit jeweils einem Vorsprung (59) der anderen Elektrode (56) ausgerichtet ist.

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