DE2614140A1

DE2614140A1 - Optischer wellenleiter

Info

Publication number: DE2614140A1
Application number: DE19762614140
Authority: DE
Inventors: Philippe Coeure; Jean-Pierre Jadot; Jean-Claude Peuzin
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR; Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Bpifrance Financement SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-04-02
Filing date: 1976-04-01
Publication date: 1976-10-21
Also published as: NL7603111A; US4032217A; FR2306456B1; FR2306456A1; GB1529374A; JPS51122455A

Description

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PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DIPL-IMG

H. KINKELDEY

DR-INQ

W. STOCKMAIR

DR-Il-JQ · AeE (CALTECHi

K. SCHUMANN

Dft RER NAT ■ DIPL-PHYS

P. H. JAKOB

DlPL-ING.

G. BEZOLD

DR REFt NAT· OlPL-CHCM.

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSS 13

1. April 1976 P 10 281

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE

29, Rue de la Federation,
F-75752 Paris / Frankreich

und

AGEEGE NATIONALE DE VALORISATION DE LA
RECHERCHE - ANYAR -

13, Rue Madeleine Michelis,

F-92522 Neuilly - sur - Seine /Frankreich

"Optischer Wellenleiter"

Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter, der eine Phasengleichheit zwischen zwei Fortpflanzungsarten des Lichtes im Leiter herstellt.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen optischen Leiter, der dazu dient, die Fortpflanzungsarten" von Wellen aus dem Wellenbereich des Lichtes zu leiten bzw. zu kanalisieren und zu transformieren. Es ist bekannt, daß sich Licht in einem optischen Wellenleiter in sogenannten "Leitungsmoden" in einer analog zur Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen im Hertz'sehen Wellenbereich im Inneren der Wellenleitern mit metallischen Seitenwänden fortpflanzen kann.

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TELEX O5-29J3O TELEG--,VI·

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Die mit der Fortpflanzung und der Steuerung von Lichtbündeln, die sich durch optische Wellenleiter, die allgemein durch dünne dielektrische Schichten gebildet sind, fortpflanzen, zusammenhängenden Erscheinungen_y sind gegenwärtig Gegenstand beträchtlicher Forschungsbemühungen. Das Ziel dieser Forschungen ist die Verwendung derartiger Wellenleiter für iiachrichtenverbindungen und die Informationsübertragung im optischen Wellenbereich. Die Informationsübertragung im optischen Wellenbereich ist gegenüber der Informationsübertragung im Hertz'sehen Wellenbereich vorteilhaft, da die weitaus höhere Frequenz der optischen Schwingungen eine Modulation in einem Frequenzband um die Trägerfrequenz herum erlaubt, das etwa 1000 mal größer als im Hertz'sehen Wellenbereich ist. Durch die Entwicklung des Lasers ist die Erzeugung von Lichtbündeln beträchtlich einfacher geworden, die geführt bzw. geleitet werden können.

Die Erweiterung der Entwicklungen im optischen Bereich, die im HÖchstfrequenzbereich verwandt werden, erlaubt es die Lichtenergie in Form von Leitungsarten durch eine entsprechende Einrichtung zu behandeln und zu handhaben, die Wellenleiter genannt wird. Der einfachste Wellenleiter gewährleistet eine Beschränkung des Lichtes längs einer einzigen Dimension.

Ein derartiger Wellenleiter besteht im allgemeinen aus einer transparenten Schicht C^ mit dem Brechungsindex n^ mit einer Stärke in der Größenordnung einiger Ai, die auf einem vorzugsweise gleichfalls transparenten Substrat mit dem Brechungsindex np liegt, wobei n« < n-j ist. Das Medium mit dem kleineren Brechungsindex als die transparente Schicht Cj dient als !Trägermaterial. Bei einem infolge der Zerbrechlichkeit der Schicht C₁ kaum ausführbaren iufbau kann diese Schicht fehlen oder kann als Schicht mit dem Brechungsindex u^ in diesem Fall nur die Umgebungsluft verwandt werden, deren Brechungsindex np = 1 und somit < n* ist.

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Auch, das Medium über der Schicht (L muß einen Brechungsindex n~ haben, der kleiner als der Brechungsindez n. der Schicht C₁ ist. Dieses Medium kann ganz einfach die Luft sein, es kann ^adocii gleichermaßen eine dielektrische, vorzugsweise transparente Schicht verwandt werden, um dem durch die Schicht Oj gebildeten Wellenleiter eine höhere mechanische Pestigkeit und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen zu geben.

Der höhere Brechungsindex der Schicht C₁ bewirkt, daß die sich durch diese Schicht fortpflanzenden Wellen an den oberen und unteren Grenzflächen der Schicht total reflektiert v/erden und somit zusammengehalten und geführt sind.

Eine genaue Beschreibung der !Fortpflanzung dieser Wellen in den dielektrischen Schichten ist aus "Guided Wave Optics", Proceedings of the I.E.E.E., Band 62, Nr. 8 zu entnehmen. Alle Angaben bezüglich dieser Portpflanzungsarten können mit Hilfe dieses Aufsatzes erklärt werden, der einen !eil der vorliegenden Beschreibung bildet.

Die beiden Gruna-lortpflanzungsarten bzw. Grund-Moden in diesen Wellenleitern sind die transversal-elektrische, d.h. die Η-Welle (TE) und die transversal-magnetische, d.h. die E-Welle (TM). Das sind die beiden möglichen Polarisationszustände der Welle, nämlich die zueinander senkrechten Polarisationen. Im folgenden wird zur Vereinfachung der Rechnungen der Fall eines Wellenleiters mit in einer Richtung, -"beispielsweise der Y-Richtung, unendlicher Ausdehnung behandelt. Die Erfindung umfaßt jedoch Wellenleiter mit begrenzten Abmessungen und einem beispielsweise rechtwinkligen oder kreisförmigen Querschnitt, bei denen die Berechnungen komplizierter, jedoch der gleichen Art sind.

Bei den beiden transversalen Wellenarten, der elektrischen und der magnetischen Welle, die sich in einem Wellenleiter fortpflanzen, ist es oft notwendig, eine Wellenart anzuregen

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und die in einer Wellenart enthaltene Energie auf die andere Wellenart zu übertragen. Das ist für Probleme der Umtauschbarkeit und der Verwendung der beiden Wellenarten am Ausgang des Wellenleiters erforderlich, um beispielsweise echte integrierte optische Schaltkreise zu verwirklichen.

Pur den Energieaustausch zwischen beiden Wellenarten, die sich durch den Wellenleiter fortpflanzen, nämlich der E- und der Η-Welle, sind bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, für eine Phasengleichheit zwischen beiden Wellen über die gesamte Länge des Wellenleiters zu sorgen, wo sie die Energie austauschen sollen·

Eine bekannte Lösung zur Verwirklichung einer Phasengleichheit besteht darin, die Störung, die die Energieübertragung bewirkt, periodisch zu modulieren. Dieses Verfahren ist insbesondere dazu verwandt worden, integrierte elektro-optische und magneto-optische Modulatoren herzustellen. Mf die Schicht Ο., werden is Pail eines elektro-optischen Modulators kammförmige, und im Pail eines magneto-optischen Modulators serpentinenförmige Elektroden aufgebracht, durch die man einen Strom zirkulieren läßt, der die notwendigen Felder erzeugt.

Bei dieser Art der Modulation ist eine HiI fs steuereinrichtung erforderlich, die die Ausführung kompliziert. Dieser Uaehteil bekommt eine größere Bedeutung im Pail der Verwirklichung komplexer Einrichtungen, beispielsweise nicht umkehrbarer Einrichtungen.

Bei einem zweiten bekannten Verfahren wird ein Material mit zweckmäßig orientierter dielektrischer Anisotropie verwandt, das auf eine Schicht G^ aufgebracht wird, die den Wellenleiter bildet. Infolge der Reflektion der E- und H-WeIlen an der Grenzfläche zwischen der Schicht O^ und dem oberen Medium ver-

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zögert die obere dielektrisch, anisotrope Schicht die E-Welle bezüglich der Η-Welle. Dank dieser oberen Schicht v/erden gleiche Fortpflanzungsgeschwindigkeiten und eine Gleichheit der Phasen ersielt. Dieses Verfahren ist jedoch, schwer durchzuführen, da die Ausbildung der dielektrisch anisotropen Schicht sehr problematisch ist. Diese Schicht sollte zur Begrenzung der Verluste von einer außerordentlich guten optischen Qualität und einkristallin mit einer sehr genauen kristallinen Orientierung sein. Darüberhinaus sollte diese obere Schicht vom Wellenleiter (L um weniger als 1000 2. getrennt und äußerst genau geprüft sein.

Indessen ist eine derartige Vorrichtung, d.h. ein Wellenleiter, bei dem eine Phasengleichheit zwischen der E- und der H-Welle erhalten wird, praktisch unentbehrlich, wenn komplexe integrierte Schaltungen der Optik, beispielsweise nicht umkehrbare Netzwerke, wie Isolatoren, Zirkulatoren usw. verwirklieht werden sollen.

Das· Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Wellenleiter, der eine Phasengleichheit zwischen den beiden Fortpflanaungsarten des Lichtes,d.h. der E-*- und der Η-Welle, im optischen Wellenleiter mit einem ausgezeichneten Wirkungsgrad bewirkt. Der erfindungsgemäße Wellenleiter ermöglicht die Verwirklichung eines Aufbaus von der Art, bei der sich die beiden Wellenarten mit der gleichen Geschwindigkeit im Wellenleiter fortpflanzen und eine Phasengleichheit an jeder Stelle verwirklicht ist, ohne daß irgendeine äußere Versorgung für die Phasengleichheit erforderlich ist und ohne daß sich die bezüglich der bekannten Verfahren oben genannten Schwierigkeiten bei der Verwirklichung zeigen.

Dazu ist erfindungsgemäß der optische Wellenleiter der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste Schicht, die aus einem transparenten Material mit dem opti-

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sehen Brechungsindex η. besteht und eine Stärke e.. hat, eine zweite Schicht, die aus einem dielektrischen Material mit dem optischen Brechungsindex ri besteht, wobei ng < n.. ist und die an die erste Schicht angrenzend vorgesehen ist und eine Stärke e₂ hat, und einen Überzug mit optischen Eigenschaften in der Art der Metalle aufweist, der auf derjenigen Oberfläche der zweiten Schicht aufgebracht ist, die der gemeinsamen ebenen Flächen der beiden Schichten gegenüber liegt, und daß die Werte der Parameter n^, e^, e~ derart gewählt sind, daß für beide transversalen optischen Wellen arten TE und TM, nämlich die E- und der Η-Welle, die sich im Wellenleiter fortpflanzen, der im wesentlichen durch die erste Schicht gebildet wird, an jeder Stelle längs der Portpflanzungsrichtung der beiden Wellenarten im wesentlichen Phasengleichheit besteht.

Bei dem erfindungsgemäßen Wellenleiter ist somit einer Schicht C₁, in der sich die E- und die H-WeHe fortpflanzen, eine zusätzliche dielektrische Schicht C₂ hinzugefügt, die auf die erste Schicht CL aufgetragen ist und eine derartige Stärke hat, daß sich für die E- und H-WeHe eine Phasengleichheit über^die gesamte Iiänge in Itortpflanzungsrichtung der beiden Wellen in der Schicht C. ergibt. Diese zusätzliche Schicht C« trägt einen metallischen, vorzugsweise reflektierenden Überzug auf derjenigen Oberfläche, die mit der Schicht C^ nicht in Berührung steht. Wie es sich im folgenden ergeben wird, ist die Stärke dieser Schicht C₂ unter Berücksichtigung der" verschiedenen Parameter des Wellenleiters, wie der optischen Brechungsindizes der verschiedenen Schichten C. und C₂ und gegebenenfalls der dielektrischen Schicht C, derart bestimmt, daß diese Phasengleichheit erzielt wird.

Der erfindungsgemäße Wellenleiter, der eine Phasengleichheit zwischen den beiden Wellenarten verwirklicht, kann vorteilhaft in Verbindung mit Einrichtungen verwandt werden, die die

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— 7 — '

Ε-Welle und Η-Welle (TE und TM) derart miteinander koppeln, da£ die Energie von einer Wellenart auf die andere übertragen wird.

Die Kopplung zwischen beiden Wellenarten kann insbesondere durch ein magnetisches odsr ein elektrisches ITeId erreicht werden.

Im folgenden v/erden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Pigur 1 zeigt schematisch das Grundprinzip des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiters.

Pigur 2 zeigt schematisch das Grundprinzip eines optischen Umschalters, bei dem zur Kopplung der E- und H-Welle Magnetisierungen ausgenutzt v/erden und bei dem die Phasengleichheit zwischen den beiden Wellen, die die Energie austauschen, verwirklicht werden kann.

Pigur 3 zeigt verschiedene Kurven, die es erlauben, für Materialien mit gegebenem Brechungsindex die Stärken e^ und e₂ der Schichten C. und C₂ zu bestimmen, bei denen der Phasenunterschied herabgesetzt ist.

Pigur 4 zeigt schematisch das Prinzip eines Wellenleiters, der einen Energieaustausch zwischen beiden Wellenarten bewirkt, wobei die Kopplung durch eine Polarisation einer zweiten Art erreicht wird.

Pigur 5 zeigt schematisch das Prinzip eines Wellenleiters, der einen Energieaustausch zwischen beiden Wellenarten bewirkt, wobei die Kopplung durch eine Polarisation einer ersten Art erreicht wird und die Phasengleichheit über die gesamte Länge der Energieübertragung besteht.

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Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wellenleiters umfaßt eine Schicht C,, die aus einem Material (j) mit dem Brechungsindex n> besteht und in Sandwich-Bauweise zwischen zwei Schichten C₂ und C, liegt, die aus Materialien Q) und (J) mit den Brechungsindizes n₂ und 213 jeweils bestehen. Die Schicht C₂ ist an ihrer Oberfläche 2 mit einem metallischen Überzug überzogen.. Im Inneren der Schicht C, pflanzen sich zwei Arten von Wellen fort. Diese beiden Wellenarten sind die Η-Welle, die aus einer magnetischen Peldkoinponente in der Zeichenebene und einer elektrischen Peldkomponente senkrecht dazu besteht, und die E-Welle, die aus einer elektrischen Peldkomponente in der Zeichenebene und einer dazu senkrechten magnetischen Peldkomponente besteht .

Wie bereits erwähnt, "werden zwar die Wellenleiter in y-Richtung als unendlich ausgedehnt angesehen, die gleiche Darstellung läßt sich aber auch auf Wellenleiter anwenden, deren Abmessung in dieser Richtung begrenzt ist. Die Berechnungen werden lediglich komplizierter. Bei dem in Betracht stehenden Aufbau des Wellenleiters resultiert eine spezielle IOrtpflanzungsart aus der Überlagerung von zwei ebenen Wellen, die den aufeinanderfolgenden lotalreflektionen an den oberen und unteren Grenzflächen der Schicht C₁ entsprechen, die den Leiter bildet. Die Schicht C, dient.als Irägermaterial, kann jedoch auch ebenso gut fehlen. Die Brechungsindizes ng und n~ sind kleiner als der Brechungsindex n.. ·

Im folgenden werden die beiden Wellenarten durch die zugehörige elektrische Peldkomponente, d.h. für die H-Welle(TE-Mode)

a(z, t) = A @xp £i (tot - BJz)J,
und für die Ε-Welle (TM-Mode)

b(s, t) = B exp /i (wt- B^z)/

dargestellt.

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Dabei sind A und entsprechend B beliebige Konstanten, die vom Erregungsniveau der Wellen abhängen» und sind ß„ und ß_K in ihren Phasenverschiebungen verschieden, die für beide Wellenarten unterschiedlich sind und durch die Reflexionen an den G-renzflachen 1.2 und 1.3 hervorgerufen v/erden.

Wird die Art und Weise, in der die Fortpflanzung der Wellen in 'der Schicht C. erfolgt, beispielsweise mittels eines elektrischen Feldes, eines magnetischen Feldes, einer Ultraschallwelle oder durch eine mechanische Deformation gestört, so wird ein Energieaustausch zwischen den Η-Wellen, a(z,t)jund den B-Wellen, b(z,t)_shervorgerufen.

Die .Amplituden A und B sind dann nicht mehr unabhängig voneinander und erfüllen in ihrem Verlauf die folgende Gesetzmäßigkeit :

^{= K}ab ^B

§§ = E₅₃ A exp (+ i Δ ζ)

Diese Formulierung ist für einen großen Maßstab bezüglich der Wellenlänge der betreffenden Wellenarten gültig, was im allgemeinen der Fall ist.

Die Kopplungskoeffizienten K^ und K_ba hängen von dem physikalischen Effekt ab, der zur Verwirklichung der Kopplung ausgenutzt v/ird. Dieser Effekt wird im folgenden als Störung bezeichnet. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen hängt von ß , ß_b und der räumlichen Änderung der Störung ab. Wenn die Materialien ©, @ und Q), die den Leiter bilden, isotrop sind, und die Störung unabhängig von-ζ ist, reduziert sich die Phasenverschiebung Λ auf:

Δ = ß_a - ß_b Φ ο

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- ίο -

Daraus ergibt sich, daß die Kopplung nur beim Resonanzaustaüsch gut ist, was eine kumulative Kopplung zur Polge hat, wenn eine Phasengleichheit zwischen beiden ¥ellen hergestellt ist j d.h. wean A = 0,. In dieses Pail wird dia Snergie einer Welle kontinuierlich auf die andere ¥elle übertragen.

Tor einer genauen Berechnung der Stärke e₂ der Schicht C₂, die auf die Schicht C^ aufgebracht wird, wird im folgenden zunächst gezeigt, warum die Phasengleichheit dadurch erreicht v/erden kann, daß die dielektrische Schicht Cp zusätzlich vorgesehen wird.

Ohne die auf der Schicht C₂ aufgebrachte Metallschicht ist die Phasenverschiebung zwischen der E-¥elle und der H-Welle immer positiv, d.h. erhält man:

³) > ο

Φ j ist dabei die Phasenverschiebung der ¥elle I bei einer Reflektion an der Grenzfläche, die die Medien 1 und m trennt.

Aus der vorhergehenden Ungleichung wird dann: ß_b - ß_a > 0

\Ieini das Metall direkt auf den leiter aufgebracht ist, wird der Phasen unterschied infolge der Reflektion der H~¥elle zwischen den Medien 1 und 2 zu TT und der Phasenunterschied,der durch die Reflektion der E-¥elle zwischen beiden Medien 1 und 2 hervorgerufen wird, zu 0. Der Phasenunterschied zwischen der E~¥elle und der H-¥elle wird negativ:

was zu ß_fe — ß_a < 0 führt.

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Wenn das Metall durch eine dielektrische Zwischenschicht der Stärke e₂ ^Yom leiter getrennt ist, ist es allerdings möglich, einen Wert für diese Stärke e₂ zu finden, bei dem die Phasengleichheit ß = ß, erreicht wird.

Eine genaue -Anwendung der Maxwell^f sehen Gleichungen in Verbindung mit den Grenzbedingungen ermöglicht die Berechnung der Phasenverschiebung zwischen der E- und der Η-Welle infolge der Reflexionen:

^Φ23>Ε - ^(Φ21

^Φ23>Η

Ar ctg

th ( N - η: e

+ Arctg

-N

Dabei ist E =

sinus θ , ν; ob ei Θ der Brechungswinkel

der Wellen in der Schicht C, ist. Da. alle anderen Parameter bekannt sind, kann die obige Gleichung numerisch aufgelöst werden, um den Wert von e₂ zu bestimmen, bei dem der Phasenunterschied zwischen den beiden Wellen gleich UuIl ist. Dieses Verfahren ist manchmal sehr langwierig und mühsam. Wenn bekannt ist, daß eine Lösung existiert, kann auch empirisch vorgegangen werden und kann der optimale Wert von e₂ durch aufeinanderfolgende Versuche bestimmt werden. Ein anderes Verfahren der Bestimmung äer optimalen Parameter soll später

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beschrieben werden.

Die auf der Schicht C₂ aufgebrachte Metallschicht ist vorzugsweise reflektierend, um die Absorption der Lichtwellen zu vermindern.

In Pigur 2 ist ein .Anwendungsbeispiel der Erfindung bei der Verwirklichung eines magneto-optischen Schalters dargestellt· Der in Pigur 2 dargestellte Wellenleiter weist eine Schicht CL mit einem Brechungsindex n^, eine Schicht C, mit einem Brechungsindex n^ und über eine Länge L.. eine Schicht C₂ mit einem Brechungsindex ng-auf· Die Oberfläche 2 dieser Schicht ist derart metallisiert, daß sich ein Metallspiegel ergibt. Die Stärke e₂ dieser Schicht ist aus den oben genannten Gleichungen berechnet worden, die dazu angegeben sind, eine Phasengleichheit zwischen der E- und der Η-Welle zu verwirklichen, die sich durch die Schicht C, fortpflanzen. Das Material der Schicht Cj ist darüberhinaus ein Material, das in der in der . Pigur mit M bezeichneten Richtung magnetisierbar ist. Es kann auch ein nicht magnetisierbares Material verwandt werden, und nur eine Peldkomponente B im Inneren der Schicht C. erzeugt v/erden. In diesem Pail wird entweder die Länge des Wellenleiters grosser oder wird der in dem Solenoid 10 fließende Strom I sehr viel größer. . Der Solenoid 10 orientiert die Magnetisierung M im Material .in ζ-Richtung aufgrund des Stromes I, der von einer Stromquelle 12 geliefert wird, die mit dem Solenoid verbunden ist. Das Grundprinzip eines solchen Schalters besteht darin, den gyrotropen Effekt auszunutzen, der durch eine- entsprechende Magnetisierung des Materials hervorgerufen wird, um die Η-Welle in eine Ε-Welle und umgekehrt, je nachdem umzuwandeln, \iewi die Magnetisierung M gleich 0 ist oder keine Komponente in Z-Richtung (Magnetisierung in Richtung M*) hat, ist die Kopplung zwischen der E- und der Η-Welle sehr schwach. Die eintretende Welle, beispielsweise die Η-Welle, verläßt die Pläche der Schicht G^ ohne Änderung. Bei einer Magnetisierung in Z-Richtung (Magnetisierung M) ist die Umwandlung

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bedeutend und kann im Extremfall,d.h.. bei einer Phasengleich— heit zwischen der E- und der Η-Welle über die gesamte Länge der Strecke L 100 fi erreichen. Die H-Welle wird somit zu
einer Ε-Welle, die die Fläche der Schicht G.. unter einem V/in— kel Θ ' verläßt. Der austretende lichtstrahl 14 "wird somit
von der Winkellage Θ zur Winkellage Θ» umgeschaltet, wenn die Magnetisierung in die Z-Achse umgeschaltet wird.

Im Falle eines magnetischen Materials, beispielsweise eines ferro- oder ferrimagnetischen Materials, kann es vorteilhaft sein, einen Permanentmagneten zu verwenden, der mit 16 bezeichnet ist, um eine remanente Magnetisierung M¹ längs der y-Achse zu erhalten, wenn beide Wellen nicht gekoppelt werden sollen. Um erforderlichenfalls die Magnetisierung in die ζ-Achse umzuschalten, wird der Unterbrecher 18 der Stromversorgung des Solenoides 10 betätigt.

Die maximale Umwandlung der H-WeHe in eine Ξ-Welle wird bei einer Wechselwirkungsstrecke 1 gleich:

L =

erhalten, wobei Θ_Ψ die Faraday'sehe Drehung pro längeneinheit ist·. Die Schicht C, besteht beispielsweise aus magnetooptischem G-ranat mit einer Zusammensetzung (GdY).,(FeGa),- O^ mit einem Brechungsindex von 2,135 bis 1,152 und sie befindet sich auf einem Substrat CU der Zusammensetzung Gd~ Ga,- O^ g mit einem Brechungsindex von 1,945. Die Schicht C₂ besteht aus Kieselerde mit einem Brechungsindex von 1,456. Die Faraday»sehe Drehung für das Material, aus dem die Schicht Cj besteht, beträgt 140° pro'cm. Die Phasenverschiebung, die für eine gute Ausbeute von über 90 fo hingenommen werden kann, entspricht einer Änderung des äquivalenten Index H^-:

Δ IT < 3x10~5
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-H-

In Pigur 3 sind verschiedene Kurven dargestellt, die bei Materialien nit gegebenem Brechungsindex das Auffinden von Werten für die Stärken e. und a ₂ der Schichten G. und G₂ ermöglichen, bei denen der Phasenunterschied bei einer bestimmten Wellenlänge auf ein Minimum reduziert ist. Die in Pigur 3 dargestellten Kurven entsprechen einer Wellenlänge von 1,152/U. Die Brechungsindizes der drei Schichten sind jeweils il, = 2,135, n₂ = 1,456 und n- = 1,945. Die Kurve gibt den Terlauf des Wertes E, d.h. den äquivalenten oder effektiven Brechungsindez bezüglich des Wellenleiters in Abhängigkeit von dem berechneten Wert e₂ -g^g für die Portpflanzungsart O der Welle in der Schicht CT wieder.

Relative Änderungen der Stärke der Kieselerdeschieht von 4 fo sind realisierbar. IJm schließlich einen Wert Δΐ<3 χ 1 mit ^^e2 ~ 4 2: 10 zu erhalten, muß das Verhältnis e_Q

—e~" —3

unter 2 0,8 χ 10 liegen. Anhand der der Portplanzungsart 0 entsprechenden Kurve 20 ist ersichtlich, daß bei einem Wert von F>2,12 die vorhergehende Ungleichung erfüllt ist.

Die Kurve 22 gibt dieselben Werte für die Portpflanzungsart 1 wieder.

Es versteht sich von selbst, daß zum Koppeln der E- und H-Wellen Portpflanzungsarten mit demselben Index, beispielsweise die Portpflanzungsarten 0 gewählt v/erden. Während als äquivalenter Index Ή, der auf der Ordinate in Pigur 3 aufgetragen ist, der zu erreichende äquivalente Index genommen wird, v/erden die Eurve 24 für die Portpflanzungsart O, die Eurve für die Portpflanzungsart 1 und die Kurve 28 für die Portpflanzungsart 2 herangezogen. Diese Kurven zeigen den Verlauf dieses äquivalenten Index IT als Punktion der Stärke e.. der Schicht Cj. Ss ist ersichtlich, daß eine Stärke e<j gleich etwa

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2,1 /U gewählt werden muß, um bei der Portpflanzungsart 0 einen Wert N = 2,12 zu erhalten. Um denselben äquivalenten Index H zu erhalten, wird in gleicher Weise die Stärke e_g der Schicht Gg dank der Kurve 30 gewählt, die, wie immer auch die Portpflanzungsart ist, den Verlauf des äquivalenten Index ET als Punktion der Stärke eg der Schicht Cg zeigt. Gemäß dieser Kurve 30 entspricht dem Wert IT = 2,12 eine Stärke eg der Kieselerdeschicht von 735 ÜL Als Ergebnis wird e^ = 2,1 /U, e_o = 735 S. + 30 % und ein Phasenunterschied Λ unter 3 x 10 ^ erhalten, der ausreicht, um einen Modulationswirkungsgrad von über 90 fo zu garantieren.

In Pigur 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Umschalters dargestellt, der mit Hilfe eines elektro-optischen Materials aufgebaut ist, das die Schicht CL bildet. Die Portpflanzungsrichtung der Wellen ist durch den Pfeil 31 angezeigt. Die Schicht C. ist über die Länge Lg von einer Schicht Cp mit dem Brechungsindex ng überzogen. Die Stärken e.j und e₂ dieser verschiedenen Schichten C. und C₂ wurden in der oben beschriebenen Weise ermittelt. Um die Kopplung zu unterstützen und zu fördern, wird der elektro-optische Effekt ausgenutzt, der durch ein PeId E_6x^ hervorgerufen wird, wie es in der Pigur dargestellt ist^ und das über zwei Elektroden 42 und 44 erhalten wird, die die Schichten C«j, Cg und C, umschließen. Unter dem Einfluß dieses äußeren Peldes wird das die Schicht C^ bildende elektro-optische Material, beispielsweise KDP, doppelbrechend. Seine optischen Achsen können zweckmäßig in der Ebene xy orientiert werden und die Länge Lg und das äußere angelegte PeId können in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften des elektro-optischen Materials zweckmäßig gewählt v/erden, damit ein Teil des Leiters mit der Länge Lg als Λ/2-Plättchen wirkt, das für eine Drehung der Polarisation um 90° sorgt, d.h. die Η-Welle, in eine Ε-Welle umwandelt. Pur einen guten Wirkungsgrad bei der

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.Art der leitung ist es erforderlich, daß die Phasengleichlieit über die gesamte Fortpflanzungs strecke hergestellt wird. Das ist der G-rund, warum erfindungsgemäß der Schicht C. die Schicht G₂ hinzugefügt ist. Die Spsnnungsquelle ist scheniatisch bei 32 dargestellt. Je nach Wunsch kann die Umschaltung der Spannung dadurch bewirkt werden, daß der Unterbrecher 33 geöffnet oder geschlossen wird. Die Spannung liegt zwischen den Elektroden 42 und 44.

In Figur 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines elektrooptischen Umschalters dargestellt, bei dem ein longitudinales elektrisches PeId E verwandt wird, das mittels der beiden Elektroden 37 und 39 erhalten wird und eine Feldkomponente E liefert, die in Figur 5 dargestellt ist. Über einen zwisehengeschalteten Umschalter 35 liefert eine Batterie 34 den plattenförmigen Elektroden 37 und 39 eine Spannung. Dank des elektro-optischen Effektes kann bei dieser Orientierung der Feld— komponente E . jederzeit erreicht werden, daß ein Seil des Leiters über eine länge I^ als ^/2-Plättehen wirkt, das eine elektrische Welle in eine magnetische durch die Drehung der Polarisationsebene um 90° umwandelt.

Jedes der angegebenen Ausfüiirungsbeispiele betrifft leiter mit ebenen Oberflächen. Es versteht sich jedoch, daß leiter mit gekrümmten Oberflächen, die mit- den Merkmalen der Erfindung übereinstimmen, durch diese mitumfaßt werden.

Außerdem wurde in der gesamten Beschreibung bisher angegeben, daß die auf der Schicht Cp aufgebrachte Schicht eine metallische Schicht ist. Selbstverständlich sind es die optischen Eigenschaften dieser Schicht, die erfindungsgemäß ausgenutzt werden, so daß alle diejenigen Materialien, die optische Eigenschaften in Art der Metalle zeigen, beispielsweise gewisse Halbleiter im Rahmen der Erfindung gegebenenfalls verwandt werden können.

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Claims

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Patentansprüche

("Λ.) Optischer Wellenleiter zur Herstellung einer Phasengleichheit zwischen zwei Fortpflanzungsarten des Lichtes im Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste Schicht (C^), die aus einem transparenten Material mit dem optischen Brechungsindex H₁ besteht und eine Stärke e.. hat, eine zweite Schicht (C₂), die aus einem dielektrischen Material mit dem optischen Brechungsindex n₂ besteht, wobei n₂ < n. ist und die an die erste Schicht angrenzend vorgesehen ist und eine Stärke e₂ hat, und einen Überzug mit optischen Eigenschaften in der .Art der Metalle aufweist, der auf derjenigen Oberfläche der Schicht (C₂) aufgebracht ist, die sich der beiden Schichten (C₁ und C₂) gemeinsamen ebenen Fläche gegenüber befindet, und daß die Vierte der Parameter U₁, e^j, n₂, e₂ derart gewählt sind, daß für beide transversalen optischen Wellenarten, nämlich die E- und der Η-Welle (TE- und TM-Mode), die sich im Wellenleiter fortpflanzen, den hauptsächlich die Schicht C^ ausmacht, an jeder Stelle längs der Fortpflanzungsrichtung der beiden Wellenarten im wesentlichen Phasengleichheit besteht.
2. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich eine dritte Schicht (C^) angrenzend an die Schicht (C-, ) aufweist, deren Brechungsindex n^ kleiner als der Brechungsindex η-, ist, wobei die Schicht (C₁) in Sandwich-Bauweise zwischen den Schichten -(C₂ und Ο,) liegt.
3. Optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (C₁) eine Schicht aus einem magnetischen Material ist.
4. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich mit einer Einrichtung versehen ist, die auf Befehl ein magnetisches Feld erzeugt, das im wesent-

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lichen parallel zu den Oberflächen der Schiebt (C₁ ) verläuft und parallel zur gemeinsamen Fortpflansungsrichtung der beiden Wellenarten gerichtet ist.
5. Optischer Wellenleiter nach .Anspruch 3, dadur-sh gekennzeichnet, daß er zusätzlich eine Einrichtung sum Umschalten eines magnetischen Feldes zwischen zwei z-ueinander „senkrechten und zu den Oberflächen der Schiebt (O, ) parallelen Richtungen aufweist, von denen eine Richtung parallel zur Portpflanzungsrichtung der beiden Wellenarten und die andere dazu senkrecht verläuft.
6. Optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüclie 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (C, ) aus einem durch ein elektrisches EeId polarisierbaren Material besteht.
7. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich eine elektrische Einrichtung aufweist, die auf einen Befehl von außen ein elektrisches PeId erzeugt, das parallel zu zv/ei ebenen Pläohen der Schicht (Cj) und zu der der B-Welle und der B-Welle gemeinsamen Portpflanzungsrichtung verläuft.
8. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich eine elektrische Einrichtung aufweist, die auf einen Befehl von außen ein elektrisches PeId erzeugt, das senkrecht zu der der Ε-Welle und der Η-Welle gemeinsamen Portpflanzungsrichtung verläuft.
9· Optischer Wellenleiter, gekennzeichnet durch eine Schicht (G₁) mit einem optischen Brechungsindex xlj , die zwischen zwei Medien mit optischen Brechungsindizes Hegt, die kleiner als ILj sind, wobei diese Schicht (C₁) aus? einem magnetischen Material gebildet ist, durch eine Schicht (C₂) mit einer Stärke eg und einem optischen Brechungsindex n₂,

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wobei n^ < n^ ist, die aus einem dielektrischen Material besteht und über eine Länge L die Schicht (G^) überdeckt, wobei eine Oberfläche der Schicht (G«) an die Schicht (Cj) angrenzt und die andere von einem reflektierenden metallischen Überzug überzogen ist, und durch eine Einrichtung zum Umschalten eines magnetischen Peldes im Inneren der Schicht (CL), wobei die Länge L •im wesentlichen gleich ^~- ist, wenn 0? die Faraday'sehe Drehung pro Längeneinheit des die Schicht (C. ) bildenden Materials bezeichnet.
10. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (G^) aus magneto-optischem Granat besteht.
11. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (Cp) aus Kieselerde besteht.

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