DE2843763A1

DE2843763A1 - Elektromagnetischer doppelpolarisations-schalter und/oder -modulator

Info

Publication number: DE2843763A1
Application number: DE19782843763
Authority: DE
Inventors: Enrique Alfredo Jose Marcatili
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-10-11
Filing date: 1978-10-06
Publication date: 1979-04-12
Also published as: US4157860A; NL190458C; GB2007384A; NL7810211A; GB2007384B; DE2843763C2; NL190458B; FR2406219B1; JPS6220532B2; FR2406219A1; JPS5465050A; CA1107380A

Description

ELEKTROMAGNETISCHER DOPPELPOLARISATIONS-SCHALTER UND/ODER -MODULATOR

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Modulatoren und Schalter für elektromagnetische Energie beliebiger Polarisation, die sich in optischen Wellenleitern ausbreitet.

Die Verwendung elektromagnetischer Wellen, die Nachrichten und andere Signale in modulierter Form tragen, ist bekannt, In den letzten Jahren ist immer mehr Aufmerksamkeit auf die Möglichkeit des vorteilhaften Transportes großer Mengen von Information in modulierter Form auf Lichtwellen mit optischen Wellenlängen im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums gerichtet worden. Um Information von jeder von vielen Quellen zu jeder von vielen Bestimmungsorten zu führen, sind sowohl Vorrichtungen zum Aufprägen oder Aufmodulieren der Information auf das Licht als auch Vorrichtungen zum (vermittelnden) Schalten des Lichtes zum richtigen Bestimmungsort erforderlich. Es ist vorgeschlagen worden, chip- oder plättchenartige Substrate aus kristallinem Material vorzusehen, die Wellenleiter und Elektroden zur Ausführung sol-

leiter und Elekti

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eher Funktionen aufweisen.

Integrierte optische Schalter und Modulatoren sind bekanntlich polarisationsempfindlich. Folglich arbeiten Vorrichtungen, die für einen wirkungsvollen Betrieb für eine Polarisationsrichtung ausgelegt sind, nicht wirkungsvoll für andere Polarisationsrichtungen. Eine bekannte polarisationsunempfindliche integrierte optische Schaltvorrichtung ist beschrieben in Applied Optics, Band 16, Nr. 8, August 1977, Seiten 2166 bis 2170. Eine solche bekannte Vorrichtung umfaßt ein Paar optischer Wellenleiter aus einem elektro-optischen Material, die in Kopplungsbeziehung angeordnet sind. Zwei Gruppen von Elektroden sind in Längsrichtung entlang der Wellenleiter angeordnet, um die effektiven Brechungsindices der Wellenleiter für jede der beiden zueinander senkrechten Richtungen der Wellenpolarisation sequentiell zu steuern. Jede Elektrodengruppe erzeugt ein Feld in den beiden Wellenleitern, das längs einer Richtung parallel zu einer der Polarisationsrichtungen verläuft. Die sequentielle Anordnung der Elektroden längs der Wellenleiter führt zu einem langen Kopplungsabstand zwischen den Wellenleitern. Da die Übertragungsverluste bei optischen Frequenzen im Bereich von 1 dB/cm liegen, führt eine solche bekannte Anordnung zu wesentlichen Verlusten, aufgrund des langen Kopplungsabstandes und/oder Intervalls zwischen den Wellenleitern. Ferner ist in einer

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solchen bekannten Vorrichtung die C-Achse (oder elektrooptische Achse) des Wellenleitermaterials parallel zur Richtung eines der beiden angelegten Felder ausgerichtet. Beide Grundpolarisationsmoden werden durch die elektrische Feldkomponente längs der C-Achsenrichtung beeinflußt, wodurch lediglich ein Freiheitsgrad für Abstimmeinstellungen geschaffen wird.

Die geschilderten Probleme werden überwunden durch einen optischen Schalter und/oder Modulator mit einem Paar Wellenleiter aus einem elektro-optischen Material, die sich in gleicher Länge über ein Kopplungsintervall erstrecken und entlang einer Oberfläche eines Substrates gebildet sind, wobei die Wellenleiter sich ausbreitende Moden optischer Wellenenergie in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen zu leiten vermögen. Der optische Schalter und/oder Modulator umfaßt ferner eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Feldkomponenten innerhalb der Wellenleiter mit Richtungen parallel zu den Polarisationsrichtungen. Bei einer Ausführungsform entsprechend der Erfindung ist die Anordnung zur Erzeugung der elektrischen Feldkomponenten bezüglich der Wellenleiter derart angeordnet, daß sich die zueinander senkrechten elektrischen Feldkomponenten über gleich lange Teile des Kopplungsintervalls erstrecken. Bei einer anderen, eine Weiterbildung der Erfindung darstellenden Ausführungsform,

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wird ein wirksamer Betrieb des Modulators und/oder Schalters dadurch erreicht, daß die C-Achse des Wellenleiter-Materials unter einem Winkel bezüglich der angelegten Felder ausgerichtet ist.

Als Vorteile kann man anführen: die Verluste in einem optischen Doppelpolarisations-Schalter und/oder -modulator werden verringert. Es können beträchtlich großzügigere Herstellungstoleranzen bei der Herstellung miniaturisierter, elektromagnetischer einschließlich optischer,Modulatoren und Schalter zugelassen werden, da elektrische Abstimmeinstellungen möglich sind, so daß das Schalten beider Polarisationen elektromagnetischer Energie im wesentlichen vollständig verläuft. Ferner sind elektromagnetische Modulatoren und Schalter verfügbar gemacht worden, die Wellenleiter aufweisen, die in kristallinem Material wie LiNbO₃ und LiTaO, gebildet sind, in dem die elektro-optische Empfindlichkeit der Substanz nicht wesentlich herabgesetzt ist. Ferner sind integrierte optische Modulatoren und Schalter in kristallinen Wellenleitern verfügbar gemacht worden, in denen die elektro-optische Empfindlichkeit der Substanz für beide Polarisationsmoden im wesentlichen gleiche Größe aufweist.

Bei einer beispielsweisen Auführungsform der Erfindung ist ein Paar paralleler Wellenreiter, beispielsweise in ausrei-

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chender Nähe vorgesehen, um als ein Typ eines Richtungskopplers für die Ausbreitung elektromagnetischer Energie mit einem Grundmoden einer ersten und einer zweiten dazu verschiedenen Polarisation zu wirken. Die Wellenleiter sind aus einem Material oder Materialien hergestellt, durch welches bzw. welche die elektromagnetische Energie hindurchgeht. Der transversalmagnetische (TM) Polarisationsmode sieht eine Wellenzahl ß in jedem Wellenleiter (geeigneterweise als ß_1rpM bzw. β_?ΤΜ bezeichnet) , und der transversalelektrische (TE) Polarisationsmode sieht entsprechend eine Wellenzahl ß__ in jedem Wellenleiter (geeignetermaßen mit B₁ bzw. ß_2TE bezeichnet). Die Art des Materials oder der Materialien ist derart, daß ein physikalisches Feld, wie . ein magnetisches, akustisches oder elektrisches Feld, das abstimmbare horizontale und vertikale Komponenten aufweist, einem oder beiden der Wellenleiter aufgeprägt werden kann, so daß gleiche Änderungen oder Fehlanpassungen in den Wellenzahlen Δß_TM = ß_lTM - ß_2TM und &&_TE = ß_1T£ - ß_2TE oder andere Änderungen der Wellenzahlen zwischen den Wellenleitern erzeugt werden. Aufgrund der Abstimmbarkeit von. Δβ_ΤΕ und Aß_T{. oder gleichwertig von ß_m„ und ß_mvr, können beide Polarisations-

XJCi IM

moden gleichzeitig oder hintereinander moduliert oder geschaltet werden. Erste und zweite elektrische Quellen für unabhängig abstimmbare Steuersignale sind mit Elektroden verbunden, die auf oder in der Nähe der Wellenleiter angebracht

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sind, um eine Abstimmung der senkrechten elektrischen Feldkomponenten verfügbar zu machen, wenn ein elektrisches Feld verwendet werden soll. Entsprechend kann man sagen, daß die Elektrodenvorrichtungen derart sind, daß eine Abstimmung des aufgeprägten elektrischen oder anderen Vektorfeldes in den Wellenleitern nicht nur dem Betrag nach, sondern auch der Feldrichtung nach möglich ist. Der Aufbau des Modulators/Schalters ist derart, daß jede Wellenzahl ß oder Wellenzahlfehlanpassung &Q und die Kopplungskonstanten zwischen Wellenleitern dem Betrag nach abstimmbar sind und relativ zu den anderen abstimmbar sind, in Abhängigkeit von einer Änderung eines der entsprechenden Steuersignale.

Bei einer vorteilhaften speziellen Ausführungsform der Erfindung sind einachsige elektro-optische Kristalle mit Perowskit-Struktur, wie LiNbO₃ und LiTaO₃, als Substrate vorgesehen, wobei die Wellenleiter in oder auf jedem Substrat mit einer c-Achse gebildet sind, die senkrecht zu den parallelen Wellenleitern und unter einem Winkel zwischen 15 und 75°, vorzugsweise 4 5°, gegenüber der Substratebene orientiert ist. Es wurde erkannt, daß der elektro-optische Effekt aufgrund des r_₃-Koeffizienten in Abhängigkeit von einer ersten elektrischen Feldkomponente ergänzt wird durch einen Effekt aufgrund des großen r.„-Koeffizienten, der von einer zweiten senkrechten elektrischen Feldkomponente abhängt. Die beiden

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Erscheinungen des elektro-optischen. Effektes aufgrund der Koeffizienten r,, und r,~ wirken derart ziasaHaaeii_r daß sie sowohl eine Abstimmung nicht nur einer sondern beider Polarisationsraodenwellenzahlen S als auch eine Kopplung für beide Polarisationsmoden erlauben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines bekannten Modulators oder Schalters für integrierte Optik;

Fig. 2 einen vergrößerten Teil des Querschnitts der

Fig. 1;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der beiden Wellen-

zahlen β in Abhängigkeit vom Substrat-c-Achsen-Orientierungswinkel Θ·;

Fig. 4 teilweise als Querschnitt und teilweise als

schematische Darstellung einen erfindungsgemäßen optischen Doppelpolarisationsmodulator- und -schalter mit einer elektrischen Schaltung zur Erzeugung von Steuersignalen;

Fig. 5 ein Diagramm eines phänomenologischen Brechungsindex-Ellipsoid-QuerSchnitts zur Erläuterung des

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Zusammenwirkens der Koeffizienten r_^ und r.~,
die bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung benutzt werden;

Fig. 6 eine teils bildhafte und teils blockschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der Elektroden verwendet werden, die
lediglich auf einer Seite des Substrates vorgesehen sind;

Fig. 7 eine teils bildhafte und teils blockschematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der Elektrodenpaare in einer Konfiguration
für ein Doppelpolarisationsschalten und ein
optisches _+ ^ß-Schalten für verringertes Nebensprechen verwendet werden;

Fig. 8 eine teils bildhafte und teils blockschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der eine andere, lateral-asymmetrische Elektrodenstruktur für ein Doppelpolarisationsschalten und ein optisches _+ /^ ß -Schalten verwendet wird; und

Fig. 9 eine erfindungsgemäße Ausführungsform ähnlich
der in Fig. 4.

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Fig. 1 zeigt einen typischen bekannten elektro-optischen Modulator und Schalter in Form integrierter Optik. In ein Lithiumniobatsubstrat 1 sind Titan-Einzelmodenwellenleiter 2 und 3 für eine Lichtleitung diffundiert. Die Wellenleiter besitzen wechselseitig parallele Teile in ausreichender Annäherung, im Bereich von Mikrometern, für eine Richtungskopplung zwischen diesen. Die c-Achse 7 des Substrats 1 verläuft senkrecht zu beiden Wellenleiterachsen 2A und 3A und zur Hauptoberfläche 1A des Substrats 1. Diese Orientierung der c-Achse 7 ist durch einen Winkel Θ = 90° zwischen der c-Achse und einer senkrecht zu den Wellenleiterachsen und parallel zu den Substrathauptoberflächen 1A and 1B verlaufenden Linie dargestellt. Elektroden 4 und 5 sind je auf

oder über den Wellenleitern 2 und 3 angeordnet. Die Länge (in die Blattebene hinein) der Wellenleiter längs der Achsen 2A und 3A, über welche diese sich am nächsten kommen, ist eine Länge L, die gleich einer minimalen Resonanz-Übergangslänge 1 oder einem ungeraden Vielfachen davon ist. Eine einstellbare Spannungsquelle 8, die eine Spannung V liefert, ist über einen Schalter 9 zwischen die Elektroden-4 und 5 geschaltet.

Dieser bekannte, in integrierter Optik aufgebaute Modulator/Schalter arbeitet folgendermaßen: wenn der Schalter 9 offen ist, wird in den Wellenleiter 2 eintretendes Licht in

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den Wellenleiter 3 gekoppelt und verbleibt dort. Wenn der Schalter 9 jedoch geschlossen ist und den Wellenleitern 2 und 3 ein elektrisches Feld 6 aufgeprägt wird, hat die Komponente des elektrischen Feldes in jedem der Wellenleiter, die parallel zur c-Achse 7 ist, einen Einfluß auf den gegenüber polarisiertem Licht bestehenden Brechungsindex, was zu einer Unterbrechung der Richtungskopplerwirkung führt und bewirkt, daß das Licht in Wellenleiter 2 weiterläuft, ohne in den Wellenleiter 3 geschaltet zu werden.

In Fig. 2 ist ein Querschnittsbereich der bekannten, in integrierter Optik ausgeführten Vorrichtung der Fig. 1 vergrößert dargestellt, um eine Diskussion von deren Arbeitsweise zu erleichtern und dadurch eine Analyse zu ermöglichen, die zu einem volleren Verständnis der Erfindung führt. Das durch einen Vektor E dargestellte elektrische Feld 6 ist als eine gekrümmte Linie gezeigt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das elektrische Feld über dem gesamten Querschnitt des Wellenleiters 3 auftritt, in der gleichen allgemeinen Richtung orientiert, wie sie durch die gekrümmte Linie 6 gezeigt ist. Licht, das sich in einem diffundierten Wellenleiter wie Wellenleiter 3 wandert, breitet sich in der x-Richtung des Koordinatensystems 13 in optischen Moden aus, die qualitativ in der Polarisierung den Richtungen von Pfeilen 11 und 12 entsprechen. Das sich wirklich ausbreitende

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Licht ist ein elektromagnetisches Feld mit potentiell beliebiger Richtung des elektrischen Feldvektors £. Glücklicherweise kann man es jedoch als die Vektorsumme der elektrischen Feldvektoren zweier fundamentaler Polarisationsmoden betrachten, die transversal-elektrisch (TE) und transversal-magnetisch (TM) genannt werden.

Die elektrischen Vektoren 12 und 11 des TE- bzw. des TM-Moden sind in Fig. 2 dargestellt und mit G"_m„ und £L„ be-

TE TM

zeichnet. Der TM-Schwingungsmode weist einen elektrischen Feldvektor auf, der parallel zu c-Achse 7 in Fig. 1 ist. Demgemäß sieht er eine Wellenzahl ß_TMf die proportional zum außerordentlichen Brechungsindex η von LiNbO-, ist. Die Änderung von ß aufgrund einer an die Elektrode 5 angelegten Spannung ist proportional zu r_-.E , wobei E die Komponente des augeprägten elektrischen Feldes E in der z-Richtung des Koordinatensystems 13 ist. Entsprechend sieht der TE-Schwingungsvektor eine Wellenzahl ß entsprechend dem ordentlichen Index η von LiNbO₃. Die Änderung der Wellenzahl ß (und des ordentlichen Index η ) ist proportional zu r₁ .,E . Unglücklicherweise sind bei vielen interessierenden Substanzen, wie LiNbO₃ und LiTaO₃, T₃₃ und r₁₃ in ihrer Größe recht verschieden, so daß es unpraktisch oder unnütz ist, einen Richtungskopplerschalter herzustellen, der auf beide Polarisationsmoden auf gleiche Weise einwirkt. Auch werden beide Schwingungsmoden bei diesem bekannten Schalter durch die elek-

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txische Feldkomponente E beeinflußt, wodurch lediglich ein Freiheitsgrad für Abstimmeinstellungen gegeben ist.

In Fig. 3 sind die Wellenzahlen ß und ß _M wertmäßig in Abhängigkeit vom c-Achsen-Orientierungswinkel θ aufgetragen. • θ liegt im Bereich zwischen O und 90° und alle anderen B-Winkel sind irgendeinem Winkel in diesem Bereich gleichwertig. Wenn θ = 90° ist, ist die Wellenzahl ß für den TM-Moden, dessen elektrischer Vektor £_m.. in c-Achsen-Richtung verläuft,

TM

höher als ß_TT?/ da in LiNbO-. der außerordentliche Index η den ordentlichen Index η übersteigt. Andererseits ist bei ß = 0° (in Fig. 1 nicht gezeigt) die c-Achse parallel zur Substratoberfläche, und die dem TE- und TM-Moden präsentierten Wellenzahlen sind vertauscht. Deshalb ändern sich bei irgendwelchen Zwischenwerten von θ die den Schwingungsmoden präsentierten Wellenzahlen zwischen ihren Extremwerten bei B = O und θ = 90°, wie durch Kurven 15 und 16 gezeigt ist. Im O-Bereich von 15 bis 75° sind die Steigungen der Wellenzahlkurven nicht vernachlässigbar, und daher kann ein Effekt, der eine unterschiedliche elektrische Feldkomponente zur Beeinflussung des Winkels θ benutzt, einen zusätzlichen Freiheitgrad für die Lösung des Doppelpolarisationsproblems liefern.

Während LiNbO-. und LiTaO-. mit einer c-Achsen-Orientierung 8/9

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im Bereich zwischen 15 und 75° diskutiert werden, umfaßt die Erfindung den Fall, daß das verwendete Wellenleitermaterial einfach derart ist, daß irgendein physikalisches Feld, sei es nun elektrisch, wie gezeigt, oder magnetisch, akustisch oder andersartig, mit zwei Freiheitsgraden für die Einstellung der Wellenzahländerungen

ß_m„ und ß_m_ angelegt werden kann, so daß man die Doppel-IJyL !.ti

polarisationsumschaltung erhalten kann.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der auf den vorausgehenden Prinzipien basierenden Erfindung. Ein optischer Doppelpolarisations-Modulator/Schalter 20 benutzt ein Substrat 17, in das Wellenleiter 18 und 19 diffundiert sind.. Das Substrat und die c-Wellenleiterachse 26 sind senkrecht zu den Wellenleitern 18 und 19 orientiert und unter einem Winkel 27 gegenüber der Substratoberfläche 17A, der mit 0 bezeichnet ist und beispielsweise als 45° genommen worden ist. Elektroden 21, 22 und 23 weisen Teile auf, die auf der oberen Hauptoberfläche 1A des Substrats 17 so aufgebracht sind, daß die Elektroden 21 und 22 seitlich an den Wellenleiter 18 und die Elektroden 22 und 23 seitlich an den Wellenleiter 19 angrenzen. Die Elektroden 21 und 23 sind beiderseits der Wellenleiter 18 und 19 angeordnet und liegen auf etwa gleichem elektrischem Potential bezüglich der Mittelelektrode 22 . Die Mittelelektrode 22 befindet sich zwischen den Wellenleitern 18 und 19 und ist

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beispielsweise geerdet. Die obere Dreiergruppe aus den Elektroden 21 bis 23 erzeugt entgegengesetzt gerichtete horizontale elektrische Feldkomponenten 28 und 29, welche lediglich die Wellenzahländerungen des TE-Schwingungsmoden beeinflussen. Die Feldkomponenten 28 und 29 verlaufen näherungsweise senkrecht zu den Längsausdehnungen der Wellenleiter 18 und 19 und näherungsweise parallel zur Substratoberfläche 17A. Elektroden 24 und 25 sind auf einer der Oberfläche 17A gegenüberliegenden unteren Hauptoberfläche 17B des Substrats 17 aufgebracht. Wie die Zeichnung zeigt, liegen die Elektroden 24 und 25 über den Wellenleitern 18 bzw. 19, wenn man die Anordnung von der unteren Oberfläche T7B aus betrachtet. Die Elektroden 24 und 25 sind entweder durch mechanische Bearbeitung, Ionenbearbeitung oder Ätzen des Substrates 17 dicht an die Elektroden 21, 22 und 23 herangebracht, so daß man vernünftig hohe Felder mit niedrigen Spannungen an den Elektroden erhalten kann. Den Elektroden 24 und 25 werden hohe Spannungen zugeführt mit einem Mittelwert, der gleich der Hälfte der Potentialdifferenz zwischen Elektrode 21 oder 23 und Elektrode 22 ist. Wenn die Elektroden 21 und 23 auf Erdpotential liegen, was bedeutet, daß keine querverlaufenden elektrischen Feldkomponenten 28 oder vorhanden sind, dann weisen die den Elektroden 24 und 25 zugeführten Spannungen einen Mittelwert von 0 auf, und folglich sind sie gleich und weisen entgegengesetztes Vorzeichen auf. Demgemäß werden auch vertikale elektrische Feldkomponenten

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-2O -

30 und 31 mit entgegengesetzter Richtung in den Wellenleitern 18 und 19 erzeugt. Die Feldkoraponenten 3O und 31 verlaufen näherungsweise senkrecht zu den Wellenleitern und 19 und zu der die Wellenleiter einschließenden Ebene 17A. Das Anlegen von Spannungen, wie nachfolgend beschrieben, an alle Elektroden 21 bis 25 führt zu praktisch jeglicher gewünschter Kombination von unabhängig abstimmbaren vertikalen und horizontalen Feldkomponenten E und E , die in den Wellenleitern induziert werden. Die Wellenleiter 18 und 19 mit den Elektroden 2t, 22, 24 bzw. 22, 23, 25 werden geeigneterweise betrachtet als einen Schalter 20 bildend, der nicht aus einer sondern aus zwei Wellen verarbeitenden Wellenleitervorrichtungen 2OA und 20B gemäß Er-

findung aufgebaut ist. Eine Schaltung zur Erzeugung der Elektrodenspannungen ist in Fig. 4 in schematischer Weise gezeigt.

Die Spannungserzeugungsschaltung besitzt zwei unabhängig abstimmbare Steuerspannungsquellen 39 und 40.Quelle 39 erzeugt eine Spannung V₁, welche die horizontalen oder TE-Modenwellenzahländerungen einstellt, die Spannungsquelle erzeugt eine Spannung 2V_, welche die vertikalen oder TM-Modenwellenzahländerungen einstellt. Die Quellen 39 und werden mittels Schaltern 42 und 41 angeschlossen und abgetrennt, um Modulations- oder Schaltsignale zu erzeugen, auf

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welche die Elektroden 21 bis 25 ansprechen. Die gewünschten Elektrodenspannungsverhältnisse werden durch Verwendung einer dritten Schaltung erfüllt, die gleiche Widerstände 35, 36, 37 und 38 aufweist, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.

Wenn beispielsweise der Schalter 41 offen und der Schalter 42 geschlossen ist, so daß die Außenelektcodenstreifen 21 und 22 mit der Spannung V₁ gegenüber dem Mittelelektrodenstreifen 22 beaufschlagt werden, dann führen die beiden Elektrodenstreifen 24 und 25 unterhalb der Wellenleiter 18 und 19 gleiche Spannungen, die 1/2V₁ sind. Bei geöffnetem Schalter 42 und geschlossenem Schalter 41 befinden sich die Elektrodenstreifen 21 und 23 aufgrund der Spannungsteilerwirkung der Widerstände 35 und 36 auf Erdpotential, und die Elektrodenstreifen 24 und 25 weisen eine entgegengesetzte gleiche Spannung auf und führen Spannungen V~ bzw. "V₃. Wenn beide Schalter 41 und 42 geschlossen sind, erzeugt die Schal tung Spannungen auf den Streifen 24 und 25, die gleich 1/2V^ bzw. 1/2V₁-Vp sind. Folglich kann im wesentlichen jegliche Kombination von elektrischen Feldkomponenten in den Wellenleitern durch die unabhängige Einstellung der Spannungen V₁ und 2V„ der Quellen 39 und 40 erzeugt werden.

Als eine Möglichkeit des praktischen Betriebs der beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung ist ein Doppel-

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polarisationsschalten durch gleichseitige Betätigung der Schalter 41 und 4 2 mit hohen Geschwindigkeitsraten in Erwägung zu ziehen. Daher werden auch bekannte Schalttransistorschaltungen oder andere sehr schnelle Schaltervorrichtungen vorteilhaft als Ersatz für die mechanischen Schalter 41 und 42 in der Steuerschaltung verwendet. Gleichermaßen geschieht das Abstimmen der Spannungsquellen 39 und 40, das im Laborstadium manuell vorgenommen werden kann, im kommerziellen Betrieb vorzugsweise automatisch oder durch Voreinstellung. Das Erfordernis übermäßig strenger Toleranzen beim Schneiden des Substrats oder beim Aufbringen der Wellenleiter und Elektroden ist im wesentlichen ausgeschaltet, da Einstellungen elektrischer Art mechanische Abweichungen von einer gegebenen Entwurfsgeometrie kompensieren.

Fig. 5 zeigt, was gegenwärtig ein phänomenologisches Brechungsindexellipsoid 59 genannt wird. Bekanntlich weisen einachsige Kristalle Doppelbrechung auf. D. h., im allgemeinen besitzt die Strahlung einer ebenen Welle in einem solchen Material eine Polarisationskomponente, die einen als. außerordentlicher Index η bezeichneten Brechungsindex "sieht" und sich mit anderer Geschwindigkeit ausbreitet als die senkrecht polarisierte Komponente der Strahlung, die einen Brechungsindex η "sieht". Die c-Achse ist definitionsgemäß die Richtung der Polarisation des Lichtes, das den außerordentlichen Index "sieht".

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Bei einer klassischen Analyse wird ein Indexellipsoid für das Material gezeichnet, und ein Schnitt des Ellipsoids normal zur Ausbreitungsrichtung der ebenen Welle kann eine Halbhauptachse aufweisen, die in ihrer Länge proportional zu η ist, und eine Halbnebenachse, die proportional zu η ist. Vom Standpunkt der Ausbreitung einer ebenen Welle in doppelbrechendem Material unendlicher Ausdehnung haben nur die Halbhaupt- und die Halbnebenachsen physikalische Bedeutung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung leiten die Wellenleiter jedoch nur einen einzigen TM-Schwingungsmoden und einen einzigen TE-Schwingungsmoden. In dem Wellenleiter tritt eine beträchtliche Reflektion von einem Strahlen-optischen Gesichtspunkt aus auf, die zu Wellenzahlwerten ß_m„ und ß_m.. gemäß Fig. 3 führt. Diese Wellenζahlwerte können zwischen jenen liegen, die man bei einer reinen Analyse der ebenen Welle in einem unendlichen einachsigen Medium erwarten würde.

Folglich nimmt die Gesamtheit des Indexellipsoid-Querschnitts 59 eine physikalische Bedeutung im Hinblick auf die phänomenologische Betrachtung der Reflektion der elektromagnetischen Welle an. Fig. 5 zeigt den phänomenologischen Ellipsoidquerschnitt 59 in solcher Orientierung, daß seine Haupthalbachse 50 in z-Richtung oder c-Achsenrichtung und seine Nebenhalbsachse 51 in y-Richtung orientiert ist. Die Ordinate n_mi., und die Abszisse n_m„ schneiden den Ellipsoidquerschnitt.

XJXl XEj

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- 24 - "

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bei den effektiven Werten 53 und 52 des Brechungsindexes entsprechend den Wellenzahlen, die von den TM- bzw. TE-Schwingungsmoden gesehen werden. Die z-Achse und die c-Achse sind unter dem Winkel θ orientiert.

Vom Standpunkt der Parallelwellenleiter-Richtungskoppler-Modulator- und -Schalteranwendungen aus gesehen sind es die Änderungen der Wellenzahlen entsprechend den Änderungen der Brechungsindices η und η _r die hauptsächlich von Interesse sind. Dies, weil die parallelen Wellenleiter 18 und 19 im wesentlichen identisch vom Standpunkt eines TE-Moden in jedem Wellenleiter oder eines TM-Moden in jedem Wellenleiter hergestellt werden und die induzierten Indexänderungen dienen zur Durchführung einer Abblockwirkung in der Vorrichtung, d. h. die Energie bleibt im Eingangswellenleiter.

Es wird nun wieder Fig. 5 betrachtet. Die Anlegung eines elektrischen Feldes E längs der z-Richtung erzeugt eine

Änderung des außerordentlichen Indexes η und der Länge der Haupthalbachse 50, die proportional zu r-,-,Ε ist, wie durch

j «j Z

einen Fall 54 dargestellt ist. Dasselbe Feld E erzeugt eine

beträchtlich kleinere Änderung des ordentlichen Indexes η proportional zu r₁^E , wie es durch den viel kleineren Pfeil

I *j Z

56 dargestellt ist. r₃₃ ist der stärkste elektro-optische Koeffizient in LiBnO₃ und LiTaO₃. r.₃ ist etwa ein Viertel

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so groß und ist in der folgenden qualitativen Diskussion deakzentuiert.

Ein elektrisches Feld in der E -Richtung dient entweder zur Vergrößerung oder zur Verkleinerung des Orientierungswinkels Θ, des Ellipsoids relativ zu den Polarisationsrichtungen, wobei die Richtung der Winkeländerung von der Richtung von E abhängt. Der Betrag der Winkeländerung ist proportional zu ^₄₃E , wie durch einen Pfeil 55 gezeigt ist. Die Pfeile 54 und 55 besitzen vergleichbare Längen, da die Koeffizienten r-.-. und r.~ in LiNbO, und LiTaO-. vergleichbare Größe aufweisen.

Wenn ein elektrisches Feld E_M entsprechend der Feldkomponente 30 der Fig. 4 vertikal an den Wellenleiter angelegt wird, liegten Komponenten des E -Feldes sowohl in der y- als auch in der z-Richtung der Fig. 5, wenn θ beispielsweise 45° ist. Dann ist die Änderung 58 des Brechungsindexes, die proportional zu Äß„_M ist, vom TM-Moden gesehen, positiv aufgrund der Vergrößerung der Abmessungen der Ellipse, wegen E und auch wegen der Drehung der Ellipse im Gegenuhrzeigersinn, was einen Anstieg des Punktes 53 auf der η Achse bewirkt. Andererseits wirken die beiden Effekte vom Standpunkt der vom TE-Moden gesehenen Wellenzahl einander entgegen, wenn lediglich eine vertikale elektrische FeId-

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komponente EM betrachtet wird. Die Neigung des Punktes 52, auf der η -Achse nach rechts zu wandern, wenn die Abmessungen der Ellipse aufgrund von r.,E und r-,-,Ε größer werden, wird durch die Tendenz des Punktes 52, wegen der Gegenuhrzeigerrichtung sdrehung des Ellipsoids aufgrund von r._E nach links zu wandern, ausgeglichen. Das bedeutet: wenn das Verhältnis von E und E richtig gewählt ist, können die TM-Schwingungsmoden ohne irgendeine entsprechende Wirkung auf die TE-Schwingungsmoden beeinflußt werden.

Wenn andererseits ein elektrisches Feld E„ entsprechend der Feldkomponente 28 in Fig. 4 rechts in Fig. 5 angewendet wird, wird die Ellipse in ihren Abmessungen aufgrund einer Komponente des elektrischen Feldes in der z-Richtung vergrößert. Die Drehung der Ellipse findet nun jedoch nicht im Gegenuhrzeigersinn sondern im Uhrzeigersinn statt, da das elektrische Feld eine Komponente antiparallel zur y-Richtung aufweist. Diese beiden Wirkungen addieren sich vektoriell und ergeben eine große Wirkung auf die TE-Moden dadurch, daß eine relativ große Änderung 57 des effektiven Indexes 52 der von den TE-Schwingungsmoden gesehenen Wellenzahl ß_TT;i erzeugt wird. Im Fall des horizontalen elektrischen Feldes E„ besteht jedoch am Punkt 53 eine Tendenz

Ei

in Richtung Auslöschung der Wellenzahländerung <£. ß , da eine Indexvergrößerung am Punkt 53 aufgrund von r₁^E und

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r₃₃E durch die Uhrzeigerrichtungsdrehung r₄„E des Ellipsoidquerschnitts ausgeglichen wird.

Man sieht also, daß die vertikalen und horizontalen elektrischen Felder E_M und E Wellenzahländerungen ^β_φΜ und /^ß , die den TE- und den TM-Moden präsientiert werden, in einer im wesentlichen unabhängigen Weise steuern können. Da gemäß Fig. 4 die Spannungsquellen 39 und 40 zur unabhängigen Steuerung der vertikalen bzw. horizontalen elektrischen Feldkomponenten in der Lage sind, können diese Spannungsquellen die Wellenzahländerungen ß bzw. ß unabhängig

J. JXL XiIi

steuern. Die großen elektro-optischen Koeffizienten r_₃ und r.vj werden in beiden Fällen verwendet, was einen bemerkenswert empfindlichen optischen Doppelpolarisationsschalter ergibt.

Es werden nun einige mathematische Berechnungen dargestellt, um in noch speziellerer Weise einen vorteilhaften Kristallschnitt zu beschreiben, der bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendbar ist. Wenn ein elektrisches Feld an einen Kristall angelegt wird, kann die allgemeine Gleichung des Indexellipsoids beschrieben werden, wie es angegeben ist in "Electrooptic Light Modulators" von I'. P. Kaminow et al., Proceedings of the IEEE, Vo. 54, Nr. 10, Oktober 1966, Seite 1375, Gleichung 3. Der Ellipsoidquerschnitt der Fig. ist hier von der allgemeinen Gleichung abgeleitet und ist

_15/16 9098 1 B

gegeben etarcii

+2r₄₂E_yyz =1 . (1)

Um die effektiven Brechungsindeices η und η zu finden, die durch Punkte 53 bzw. 52 repräsentiert sind, muß man zuerst Gleichung 1 für η _M und dann für η lösen, indem man die folgenden Gleichungen verwendet _r die η_φΜ und n_.„ zu deren Koordinaten im y, z-System in Beziehung setzen, basierend auf der Annahme, daß 0 = 45 Grad ist. Wenn 0 = 45 Grad ist, sind die Koordinaten von n_„ (Punkt 53 in Fig. 5) y = η_ΤΜ/]/2 und ζ = η /"1^ und die Koordinaten von IL₁, (Punkt 52) sind y = n^/l/Tund ζ = τι^

XL· XL· ' XL·

Demgemäß ist

2 2 ⁿTM² _ ⁿTE²

Zur Auflösung nach η setze man in Gleichung (1)

Außerdem setze man in Gleichung (1) zur Auflösung nach

yz = - -ψ- . (4)

Um Ausdrücke unter Verwendung der vertikalen und horizontalen Felder E,. und E„ zu erhalten, setze man

^Ez ^{= (E}M

^Ey " ^(EM " ^EE^]

Das Einsetzen der Gleichungen (2) bis (6) in Gleichung (1) und deren Auflösung ergibt

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co

ir

H M

co co M

I¹ U

I G +

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OJ

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Die Gleichungen (7) und (8) liefern n_m„ und n_m... Eric XML

wünscht sind natürliche die Ausdrücke für die Änderungen von n_m„ und n_._, da diese proportional zu den Wellenzahländerungen oder zu den Richtungskopplerwellenleiterfehlanpassungen £ß und Aß_TM sind. Diese Wellenzahländerungen sind proportional zu den die r-Koeffizienten einschließenden Zählerausdrücken in Gleichungen (7) und (8). Die Werte

-12

der r-Koeffizienten in LiNbO₃ in Einheiten von IO m/V sind

r₁₂ = -,67 ,

r₄₂ = 28 ,

^r13 ^{= 8}'⁶ '

r₃₃ = 30,8 . (9)

Durch Einsetzen der Konstanten und Prüfen des zweiten Terms in den Zählern der Gleichungen (7) und (8) erhält man

-96E_M + 18E„ (10)

rl ti

^16EM - ^95EE *

Die Gleichungen (10) und (11) zeigen mathematisch, daß die Wirkungen der aufgeprägten elektrischen Feldkomponenten

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E,, und E„ auf die von den TM- und TE-Moden gesehenen Wellenzahländerungen im wesentlichen unabhängig sind, wie es qualitativ in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben ist. Die Feldwirkungen treten hauptsächlich durch die Koeffizienten r₃₃ und r₄₂ auf. Eine Analyse der Gleichungen (7) und (8) zeigt, daß die effektive elektro-optische Empfindlichkeit auf jede Feldkomponente E oder E etwa

ΤΤ^ ~ ^ro-3 oder 0,91 r₃₃ ist, was im wesentlichen das

gleiche wie r₃₃ ist, der empfindlichsteelektro-optische Koeffizient. Diese Ausführungsform der Erfindung erstrebt also vorteilhaft die Empfindlichkeit bekannter Modulatoren und Schalter auf beide Polarisationsmoden, und nicht nur auf einen.

Bei einer anderen" Ausführungsform des optischen Doppelpolarisations-Modulators/Schalters der vorliegenden Erfindung können alle Elektroden auf derselben Seite des Substrates angeordnet sein. In Fig. 6 weist ein optischer Schalter 65 eine erste Dreiergruppe Elektroden 75, 76 und 77 auf, die einen zwischen Wellenleitern 73 und 74 befindlichen Mittelstreifen 76 und Außenstreifen 75 und 77, die beidseits der Wellenleiter angeordnet sind, umfassen. Der Schalter 65 weist außerdem ein Paar Elektroden 78 und 79 auf, die auf oder über den optischen Wellenleitern 73 und 74 aus Titan, die in ein LiNbO₃-Substrat 72 diffundiert sind, ange-

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ordnet sind. Quellen 66 und 67 liefern je zu schaltendes Licht und Verbraucher 68 und 69 empfangen das geschaltete Licht. Die c-Achse 86 ist unter einem Winkel 0 von 45° geneigt. Die Wellenleiter 73 und 74 sind bezüglich ihres Querschnitts geeignetermaßen etwas unterschiedlich aufgebaut, so daß sie verschiedene ß's aufweisen, und eine Richtungskopplung ist unterbunden, wenn die Elektroden nicht mit Energie beaufschlagt sind. Die Elektroden 76, 76 und 77 leiten ein erstes abstimmbares Steuersignal auf den Streifen 75 und 77 bezüglich des Streifens 76 dadurch, daß sie mit der V₁-Schaltsignalquelle 70 verbunden sind, so daß elektrische Felder 80 und 81 erzeugt werden, die antiparallel zueinander sind und senkrecht zu den Wellenleitern und im wesentlichen parallel zur Substrathauptoberfläche 72A verlaufen, um die TE-Schwingungsmoden zu beeinflussen. Das Elektrodenpaar 78 und 79 leitet das zweite abstimmbare Steuersignal V„ von einer Quelle 71 und sind über den Wellenleitern 73 und 74 derart angeordnet, daß entgegengesetzt gerichtete elektrische Felder 82 und 83 erzeugt werden, die im wesentlichen senkrecht zu beiden Wellenleitern und zum Substrat verlaufen, wie Fig. 6 zeigt, um die TM-Schwingungsmoden zu beeinflussen.

Bei einem Beispiel der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 6 läuft doppelt polarisiertes Licht von der Quelle

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66 längs des Wellenleiters 73 und tritt in den Bereich der Dreiergruppenelektroden 75, 76 und 77 ein. Das elektrische Feld C_n,, der TM-Lichtkonraonente 84 verläuft senk-TM

recht zu den aufgeprägten elektrischen Feldkomponenten 80 und 81. Demgemäß bleibt das TM-Licht 84 durch jegliches Schalten der an die Elektrodendreiergruppe angelegten Spannung V₁ relativ unbeeinflußt und dessen Energie läuft unbeeinflußt längs des Wellenleiters 73, da die Kopplung der Wellenleiter 73 und 74 bei der Herstellung unterbunden worden ist. Andererseits verläuft das elektrische Feld 6_„

J. ill

des TE-Lichtes 85 parallel zu den elektrischen Feldkomponenten 80 und 81, was die ß's in den Wellenleitern für den TE-Schwingungsmoden elektro-optisch ausgleicht und das Auftreten einer Richtungskopplerwirkung erlaubt. Demgemäß gelangt die Energie des TE-Lichtes 85 vom Wellenleiter 73 zum Wellenleiter 74, und zwar durch die bekannte Kopplung über (im optisch dünneren Medium bei Totalreflektion) auslaufende Wellen (im englisch-sprachigen Raum evanescent waves genannt) .

Der Schalter 85 vervollständigt seine Wirkung im Richtungskopplerteil unterhalb der Elektroden 78 und 79, indem er einen Übertritt des TM-Lichtes 84 zwischen den Wellenleitern zuläßt, die durch einen Ausgleich der ß_TM'^s durch die elektrischen Felder 82 und 83 wesentlich beeinflußt sind, während

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das TE-Licht 85 im Wellenleiter 74 gehalten wird, und zwar durch den durch die Herstellung erreichten Abblockeffekt gegenüber den TE-Schwingungsmoden.

Wenn die Spannungen V₁ und V~ von den Schaltsignalquellen 70 und 71 gleichzeitig von den Elektroden abgeschaltet werden, sehen sowohl die TM- als auch die TE-Komponenten einen Richtungskoppler mit auf der Herstellung beruhender Abblockung und verlassen den Wellenleiter 73 unbeeinflußt in Richtung Verbraucher 69. Das gleichzeitige Anlegen der Schaltspannungen V₁ und V„ bewirkt wieder, daß Licht in den Wellenleiter 74 geschaltet wird und in den Verbraucher 68 läuft. Zieht man Quelle Nr. 2 in Betracht, sieht man, daß die Ausführungsform nach Fig. 6 als* ein Umschalter zwischen den Quellen und den Verbrauchern wirkt. Eine zeitlich wechselnde Anlegung der Schaltsignalspannungen bewirkt eine Trennung der TE- und der TM-Moden für Multiplex- und Demultiplexzwecke.

Vor kurzem hat man herausgefunden, daß das Nebensprechverhalten optischer Schalter beträchtlich verbessert werden kann durch Verwendung abwechselnder Elektrodenabschnitte positiver und negativer Wellenzahländerungen Aß. Solche Schalter sind bekannt als optische +_ Δß-Schalter und sind beschrieben in der US-PS 4 012 113. Solche Schalter werden

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erfindungsgemäß für Doppelpolarisationsbetrieb weiter verbessert.

Im allgemeinen umfaßt der V/\ß-Betrieb ein Richtungskopplerschalten über eine Länge L, die sich etwas von einem Vielfachen der kritischen Kopplungslänge 1 unterscheidet. Die Länge L ist von einem "cross-bar"-Diagramm ("übertritt-Durchlauf"-Diagramm) gemäß den Fig. 3 und 8 der US-PS 4 012 113 ausgewählt.

Der Doppelpolarisationsschalter 20 nach Fig. 4 eignet sich für ein +£ß-Schalten durch Herstellen eines Richtungskoppler s einer Länge L, die von einem cross-bar-Diagramm ausgewählt ist und dann durch Herstellen einer ersten Elektrodengruppe 2"1, 22, 23, 24, 25 in der in Fig. 4 gezeigten Geometrie und außerdem durch Vorsehen einer (nicht gezeigten) zweiten Elektrodenfolge 21', 22', 23', 24', 25' identischen Querschnitts (unter Verwendung eines zweiten auf der oberen und der unteren Oberfläche angebrachten Paares, das in der Zeichnung gesehen tiefer im Papier angeordnet ist) zum Anlegen elektrischer Feldkomponenten, die je zu den Komponenten 28, 29 und 30, 31 der Fig. 4 entgegengesetzt oder antiparallel gerichtet sind. Elektrodenteile wie 22 und 22', die geerdet sind oder andersartig auf glei-

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chem Potential liegen, können natürlich als ein Elektrodenstreifen hergestellt werden. Ein zweites Brückennetzwerk mit einer zweiten. Gruppe von Spannungsquellen 39' und 40' (nicht gezeigt) zur Erzeugung Von Spannungen, die entgegengesetzte Polarität aufweisen und dem Betrag nach V₁ und 2V₀ der Quellen 39 und 40 ähnlich sind, sind geeigneterweise zum Treiben der zweiten Elektrodenfolge im Übertrittszustand vorgesehen. Die Quellen 39, 40, 39' und 40' sind bezüglich der Spannung schaltbar, um auch einen Niedrigspannungsdurchlaufzustand durch eine mit den Lehren der genannten US-PS verbundenen Methode zu erreichen.

Gleicherweise wird der Doppelpolarisationsschalter nach Fig. 6 für ein +_ ß-Schalten dadurch modifiziert, daß die Länge L neu gestaltet wird, indem die Elektroden 75 bis in einer linken Hälfte der Länge L untergebracht sind und indem in einer rechten Hälfte der Länge L eine zu 75, 76, 77, 78, 79 identische weitere Elektrodenfolge hinzugefügt wird, die eine (nicht gezeigte) zweite Elektrodendreiergruppe 75', 76', 77' und ein (nicht gezeigtes) zweites Elektrodenpaar 78', 79' aufweist, die durch (nicht gezeigte) dritte und vierte Schaltsignalquellen getrieben werden. Auf diese Weise werden zwei zusätzliche Paare elektrischer Feldkomponenten 80", 81' und 82', 83' (nicht gezeigt) so

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hinzugefügt, daß sie je antiparallel zu den Komponenten 80, 81, 82 und 83 verlaufen und daß ein optisches Schalten mit verringertem Nebensprechen erreicht wird.

Ein optischer jl· Aß-Schalter 90 in Fig." 7 ist ähnlich dem Schalter nach Fig. 6, der in der eben erwähnten Weise modifiziert ist. Für diesen Schalter 90 werden ein Substrat 72, Wellenleiter 73 und 74, Quellen 66 und 67 und Verbraucher 68 und 69 verwendet. Im Schalter 90 ist die Länge L von einem cross-bar-Diagramm aufgrund einer in der ÜS-PS 4 012 113 beschriebenen Analyse gewählt. Zwei Paar +£ß_m Elektroden sind durch ein Elektrodenpaar 91, 92 zur Erzeugung einer Feldkomponente 100 und ein Elektrodenpaar 95, zur Erzeugung einer antiparallelen Komponente 1O1 vorgesehen. Diese Paare 91, 92 und 95, 95 sind beidseits des Wellenleiters 73 angeordnet, um abstimmbare Steuersignale entgegengesetzter Polarität V₁ und -V₁ zuzuführen, wobei V₁ näherungsweise = V-. ist. Jedes dieser Paare kann, wie zuvor erläutert, durch eine Dreiergruppe wie 75, 76, 77 in Fig. 6 ersetzt werden. Die Verwendung der abgesetzten Paare 91, 92 und 95, 96 in Fig. 7 erläutert eine Form, die einen wirtschaftlichen Vorteil bei der Herstellung schaffen kann. Zwei Paare ΔΒ -Elektrodenabschnitte sind als Elektroden 93, 94 für die Erzeugung von Feldkomponenten 104 und

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105 und als Elektroden 97, 98 für die Erzeugung antiparalleler Komponenten 106, 107 gezeigt. Diese sind im Aufbau dem Elektrodenpaar 78, 79 der Fig. 6 ähnlich insofern, als sie Paare von Elektrodenstreifenteilen sind, die über je einem der Wellenleiter 73 bzw. 74 angeordnet sind, so daß Streifen 93 und 97 über dem Wellenleiter 73 und Streifen 94 und 98 über dem Wellenleiter 74 liegen. Schaltspannungen V₁ und -V₃ werden an die Elektroden 91 und 95 angelegt, um das +_^-ß für den TE-Polarisationsmoden zu erzeugen, und die Elektroden 92 und 96 sind geerdet. Gleichsam werden Schaltspannungen V„ und -V-, die ebenfalls dem Betrag nach gleich aber der Polarität nach entgegengesetzt sind, an die Elektroden 93 bzw. 97 angelegt, um das ^<^ß für die TM-Moden zu erzeugen und die Elektroden 94 und 98 sind ebenfalls geerdet. Da alle vier Elektroden 92, 94, 96 und 98 geerdet sind, sind sie geeigneterweise elektrisch verbunden und als eine einzige Elektrode ausgestaltet, Bei einer anderen Konstruktion sind die Elektroden 95 und geendet und führen die Elektroden 96 und 98 die Spannungen V^ bzw. V.. Unter Benutzung der Prinzipien der Doppelpolarisation und der _+ dß-Schaltung werden die Spannungen V₁, V_, -V* und - V. für ein niedriges Übersprechschalten sowohl im Übertrittzustand als auch im Durchlaufzustand eingestellt.

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Zur Lösung nach Fig. 7 ist noch zu bemerken: wenn da +^ Aß-Merkmal bei einer Modulatoranwendung oder nicht so anspruchsvollen Schalteranwendung weggelassen werden soll, werden lediglich die Elektroden 91, 92, 93 und 94 benötigt und wird die Länge L gemäß Fig. 6 als 2nl neu konzipiert.

Fig. 8 zeigt eine weitere andere Elektrodenstruktur für ein 4^Aß-Schalten im optischen Schalter 110. Die Länge des Schalters ist geeigneterweise gleich der in Fig. 7, und zwei asymmetrische Elektrodendreiergruppen 111, 112, 113 und 114, 115, 116 sind vorgesehen. Die Mittelelektrodenstreifenteile 112 und 115, die je über dem Wellenleiter 74 angeordnet sind und sich in die Nähe einer Seite des Wellenleiters 73 erstrecken, sind beide geerdet und in geeigneter Weise miteinander verbunden. Die Außenelektrodenstreifen 111, 113 und 114, 116 sind beidseits der Wellenleiter 73 und 74 angeordnet, je in paarweiser Betrachtung. Die Elektroden 111 und 112 sind mit einer Potentialdifferenz -V₁ beaufschlagt, und die Elektroden 114 und 115 sind mit einer Potentialdifferenz -V-, beaufschlagt, so daß elektrische Felder 117 und 119 zum _+ώ ß-Schalten des TE-Moden über dem Wellenleiter 73 aufgeprägt werden. Die Elektroden 112 und 113 sind mit einer Potentialdifferenz V₂ beaufschlagt und die Elektroden 115 und 116 sind mit einer Potentialdifferenz -V₄ beaufschlagt, um die aufgeprägten elektrischen Felder 118 und 120 für ein +^Δ ß-Schalten des TM-Moden zu erzeugen. Wenn der

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Vorteil des niedrigen Nebensprechens des _+./! ß-Schaltens nicht benötigt wird, kann natürlich eine einzige asymmetrische Elektrodendreiergruppe, wie 111, 112, 113 mit einer Länge, die gleich der minimalen Übergangslänge 1 oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon ist, in einer Weise ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden. Bei der ^Aß-Version erzeugt eine zweite asymmetrische Dreiergruppe, wie 114, 115, 116, die beiden zusätzlichen Feldkomponenten 119 und 120, die antiparallel zu den Komponenten 117 bzw. 118 sind, so daß das optische Schalten mit verringertem Nebensprechen ermöglicht wird.

Bei denjenigen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das _+ Λ.B-Schalten nicht verwendet wird, d. h., bei den Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 6, bei denen eine Länge L gleich der minimalen Resonanzlänge 1 öder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon ist, ist angenommen worden, daß die Länge L mit ausreichender Genauigkeit für den in einer gegebenen Anwendung erforderlichen Grad an Modulator/Schalter-Leistungsfähigkeit hergestellt worden ist. Wenn es aus wirtschaftlichen oder anderen Gründen erwünscht ist, die beim physikalischen Herstellungsprozeß erforderliche Genauigkeit von L zu lockern, erlaubt die Erfindung vorteilhafterweise eine elektrische Abstimmung des

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von den TE- und den TM-Moden je gesehenen effektiven L.

Fig. 9 zeigt einen erfindungsgemäßen Richtungskoppler wie in Fig. 4, wobei gleiche Teile gleiche Bezugsziffern wie die Gegenstücke der Ausführungsform nach Fig. 4 tragen. In Fig. 9 ist die Länge L jedoch lediglich näherungsweise der Länge 1 oder eines ungeradzahligen Vielfachen hiervon, gesehen vom TE-Moden und vom TM-Moden. Um die Länge für beide Polarisationsmoden abzustimmen und damit eine vorteilhaftere Modulation und ein optisches Schalten mit reduziertem Nebensprechen auf andere Weise als durch die _+cl ß-Lösung zu erhalten, ist die Kopplung zwischen den Wellenleitern 18 und 19 elektrisch veränderlich gemacht. D. h., die Kopplung für den TE-Moden wird durch eine erste zusätzliche Spannungseinstellung elektrisch modifiziert und der TM-Mode wird durch eine zweite zusätzliche Spannungseinstellung elektrisch modifiziert. Demgemäß sind Elektroden 21, 22, 23, 24 und 25 mit Spannungen V₁₁, V₁₂, V₁₃, V₁₄ bzw. V₁₅ beaufschlagt, die einstellbar und in die beiden Schaltzustände schaltbar sind oder auf andere Weise geeignet moduliert werden. Da ideal nur vier Freiheitsgrade erforderlich sind, um die vier VariablenΔβ ,A β , TE- Kopp-

l£j IM

lungsänderung und TM-Kopplungsänderung abzustimmen, wird eine der Spannungen V₁₁, V₁₂' V₁₃, ^v-|4 ^und V₁₅ vorteilhafterweise auf konstantes oder Erdpotential gelegt.

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Beispielsweise ist in Fig. 9 V_1? geeignetermaßen durch Erden der Elektrode 22 auf null Volt eingestellt. Die Elektroden 21, 23, 24 und 25 werden mit schaltbaren Quellen der Spannung V₁₁, V₁₃, V₁₄ bzw. V₁₅ betrieben. Die Spannungen V₁₁ und V₁₂ (hier V₁- = 0) bestimmen die elektrische Feldkomponente 28 im Wellenleiter 18, und die Spannungen V_1? und V₁-. (hier V₁ „ = O) bestimmen die elektrische Feldkomponente 29 im Wellenleiter 19. Die Brechungsindexänderung in jedem Leiter für den TE-Moden über den elektrooptischen Effekt modifiziert nahezu unabhängig die Aus-, breitungskonstantendifferenzΔß der Wellenleiter und die Änderung der Kopplung zwischen diesen. Dies resultiert aus der Tatsache, daß die Differenz der Indexänderungen in den Wellenleitern 18 und 19 mitA.ß__ verknüpft ist und der

1.Cj

Mittelwert der Änderungen ist mit der Kopplungsänderung verknüpft. Somit genügen unabhängige Einstellungen von V₁₁ und V₁.,, um den Anforderungen sowohl der Wellenzahländerung /\ß_„ als auch der Kopplungsänderung für jeglichen gegebenen Schaltzustand zu genügen.

Für den anderen Polarisationsmoden, d. h. den TM-Moden, werden die Anforderungen bezüglich Wellenzahländerung ß und TM-Kopplungsänderung vorteilhafterweise durch eine unabhängige Einstellung der Spannungen V₁- und V₁₅ an den

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Elektroden 24 und 25 erfüllt. Wenn beispielsweise die Spannungen V₁₁, V₁- und V₁_ alle auf null eingestellt sind, dann steht die Differenz der Spannungen V₁₄ und V₁₅ in Beziehung zur Wellenzahländerung/\ß, und der Mittelwert der Spannungen V₁₄ und A₁- steht in Beziehung zur TM-Kopplungsänderung. Allgemein gilt: wenn die Spannungen an den Elektroden 21, 23, 24 und 25 V₁₁, V₁-

V₁₄ -^l _+Δν_ι4 (12)

^V1

15

sind, mit V₁₂ = 0, dann steht die TE-Wellenzahländerung ΔΒ-,ρ in Beziehung zu V₁₁ + V₁., , die TE-Kopplungsänderung in Beziehung zu (V₁₁ - V₁-)/2, die TM-Wellenzahländerung in Beziehung zu 4-V₁₄ - ^V₁₅ und die TM-Kopplungs_M
änderung in Beziehung zu

Bei der Vorbereitung der Ausführungsform für eine Verwendung als Schalter wird beliebig polarisiertes Licht vorgesehen und V₁₁ und V₁^ werden so bestimmt, daß man einen Nullwert in dem im Wellenleiter 18 übertragenen Licht mit V₁₄ = V₁ .j/2 und V₁₅ = V₁₃/2 erreicht. Diese Einstellung ergibt eine angenäherte übertrittszustandseinstellung für

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öle TE'-Komponente. Dann Werden V₁ . und V₁₅ experimentell so abgestimmt, daß ein im wesentlichen vollständiger NüÜwert für das im Wellenleiter 18 übertragene Licht auftritt, so daß man die Übertrittszustandsbedingung sowohl für die TE- als auch die TM-Moden erhält. Die erhaltenen Spannungswerte sind die übertrittszustandswerte. Als nächste wird der gleiche experimentelle Einstellungsvorgang durchgeführt, um einen im wesentlichen vollständigen Nullwert für das im Wellenleiter 19 übertragene Licht zu erhalten, so daß man die Durchlaufzustandsbedingung sowohl für die TE-als auch die TM-Moden erhält. Die solchermaßen erhaltenen Spannungswerte sind die Durchlaufzustandswerte.

Die Dreiergruppe-Paar-Ausführungsform nach Fig. 6 wird zum Abstimmen der Kopplungslänge L analog geeignet modifiziert, indem die Elektrode 76 geerdet wird und die Elektroden 75 und 77 von unabhängig einstellbaren Spannungsqüelien V_1Ä und V₁ (nicht gezeigt) gespeist werden und indem eine geerdete Elektrodenplatte unterhalb des Substrats 72 unter den Elektroden 78 und 79 vorgesehen wird und die Elektroden 78 und 79 aus unabhängig einstellbaren Spannungsqueiien V^, und V*,_R (nicht gezeigt) gespeist werden, um die gewünschten vier Freiheitsgrade zu erhalten.

Es dürfte klar sein, daß die Erfindung ein Doppelpolarisationsschalten in elektromagnetischen Wellenleitern, umfaßt,

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daß andere physikalische Effekte als der elektrooptische Effekt bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendbar sind und daß eine Vielzahl von anderen Materialien als LiNbO-. und LiTaO_n, für eine erfindungsgemäße Verwendung ins Auge gefaßt werden können, solange sie sich eignen. Spaltlose Doppelpolarisationsrichtungskoppler und eine Einzelwellenleiter-Wellenverarbeitungsvorrichtung in einer Vielzahl von Typen liegen im Rahmen der Erfindung.

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Claims

BLUMBACH . WESER . BERGEN . KRAMER* * *

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

?etemconsult fcadeckestraße 43 8000 München 40 Telefon (089) 833605/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Pater.tconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

WESTERN ELECTRIC COMPANY, INCORPORATED Marcatili 69 New York, OSA

Patentansprüche

1» Optischer Schalter und/oder Modulator mit einem Paar Wellenleiter aus einem elektro-optischen Material, die sich in gleicher Länge über ein Kopplungsintervall erstrecken und entlang einer Oberfläche eines Substrates gebildet sind, wobei die Wellenleiter sich ausbreitende Moders optischer Wellenenergie in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen zu leiten vermögen, und mit Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Feldkomponenten innerhalb der Wellenleiter mit Richtungen parallel zu den Polarisationsrichtungen,

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. ·' W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G.ßlumbach Dipl.-Ing.- P. Bergen Dipl.-Ing. Drr-jup, · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

- T * ■ τ ■

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (21-25; 111-113; 114-116) zur Erzeugung elektrischer Felder bezüglich der Wellenleiter (18, 19; 73, 74) derart angeordnet sind, daß sich die zueinander senkrechten elektrischen Feldkomponenten (28, 30; 29, 31; 117, 118; 119, 120) über gleich lange Teile des Kopplungsintervalls erstrecken.
2. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Felder aufweisen:

eine entlang der einen Oberfläche (17A) des Substrates (17) angeordnete erste Elektrodengruppe (21, 22, 23) zur Erzeugung einer ersten elektrischen Feldkomponente (28, 29) in jedem der Wellenleiter (18, 19) in einer Richtung senkrecht zu den Wellenleiterachsen und parallel zur Ebene der Wellenleiterachsen;

und eine entlang einer entgegengesetzten Oberfläche (18B) des Substrates angeordnete zweite Elektrodengruppe (24, 25), die in Zusammenwirkung mit der ersten Elektrodengruppe eine zweite elektrische Feldkomponente (30, 31) in jedem der Wellenleiter in einer Richtung senkrecht zu den beiden Wellenleiterachsen und der genannten Ebene erzeugt.

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3. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Felder ferner unabhängig einstellbare Spannungsquellen (39, 40) aufweist.
4. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrodengruppe eine zwischen den Wellenleitern (18, 19) angeordnete innere Elektrode (22) und zwei Außenelektroden (21, 23), von denen jede an die Außenseite eines der Wellenleiter angrenzend angeordnet ist, aufweist, und daß die zweite Elektrodengruppe ein Paar Elektroden (24, 25) aufweist, von denen jede direkt einem der Wellenleiter (18, 19) gegenüberliegend angeordnet ist. .
5. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten elektrischen Feldkomponenten, die in jedem der Wellenleiter erzeugt werden, antiparallel zur den ersten und zweiten elektrischen Feldkomponenten sind, die je im anderen Wellenleiter erzeugt werden.
6. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Felder eine erste Gruppe (111, 112, 113) und eine zweite Gruppe (114, 114, 116) Elektroden, die entlang der einen Oberfläche (72A des Substrates (72) angeordnet sind, aufweist, die in einem Wellenleiter (73) ein elektrisches Feld (117; 119) in einer Richtung parallel lediglich zu einer der Polarisationsrichtungen ujnd im anderen (74) Wellenleiter ein elektrisches Feld (118; 120) parallel zu lediglich der anderen der Polarisation sr ich tungen erzeugen.
7. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrodengruppe aufweist:

eine Innenelektrode (112; 115), die sich über einen der beiden Wellenleiter und wenigstens die Zone zwischen diesen erstreckt;

und zwei Außenelektroden (111, 113; 114, 116), die je der Außenseite eines der Wellenleiter benachbart angeordnet sind.
8. Optischer Schalter und/oder Modulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von der ersten Elektroden-

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gruppe, in den Wellenleitern erzeugten elektrischen Felder antiparallel zu den von der zweiten Elektrodengruppe in den einzelnen Wellenleitern erzeugten elektrischen Feldern verlaufen.
9. Optischer Schalter und/oder Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter Wellenleiterachsen, die eine Ebene definieren, aufweisen, und eine c-Achse, die senkrecht zu den Achsen orientiert ist und mit der Ebene einen Winkel im Bereich zwischen 15 und 75° bildet.

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