DE3713990A1 - Opto-elektronischer richtungskoppler fuer ein vorspannungsfreies steuersignal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen opto-elektronischen Richtungskoppler für ein vorspannungsfreies Steuersignal, wobei der Koppler zwei gekoppelte Lichtwellenleiter umfaßt, die in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, sich in einem Kopplungsbereich erstrecken und jeweils an einen Lichtwellenleiter-Ausgang an dem Richtungskoppler angeschlossen sind, sowie Elektroden aufweisen, mit deren Hilfe die optische Kopplung zwischen den gekoppelten Lichtwellenleitern mittels des Steuersignals herbeigeführt werden kann.

Opto-elektronische Richtungskoppler werden in vielen Anwendungen benutzt, um beispielsweise in optischen Kommunikationssystemen eine Lichtwelle zu modulieren oder Lichtsignale zu schalten. Eine Beschreibung von Richtungskopplern geben H. Kogelnik und R. V. Schmidt in "Switched Directional Couplers with alternating Δ b", IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-12, Nr. 7, Juli 1976. Die Richtungskoppler sind vorgesehen für zwei gekoppelte Lichtwellenleiter, die im allgemeinen an ihre individuellen Kopplerein- und -ausgänge angeschlossen sind. Die optische Kopplung zwischen den Lichtwellenleitern kann mittels eines elektrischen Signals erfolgen, das an Elektroden an den gekoppelten Lichtwellenleitern anliegt. Die vorbekannten Richtungskoppler haben eine Transferfunktion, bei der erforderlich ist, daß das elektrische Signal einen Gleichspannungspegel besitzt, eine elektrische Vorspannung, um die das modulierende Signal schwankt. In der Hochfrequenzmodulation, mit Modulationsfrequenzen von ca. 5 GHz oder höher, gibt es Probleme, diesen Pegel konstant zu halten. Eine sich verändernde Vorspannung kann eine unvollständige Kopplung des optischen Signals und seinen Austritt an beiden Ausgängen des Richtungskopplers verursachen. Ein Mach-Zender-Typ eines vorspannungsfreien Modulators beschreiben C. M Gee, G. D. Thurmond und H. W. Yen in "17 GHz band-width electro-optic modulator", Appl. Phys. Lett 43 (11), Dezember 1983. Dieser Modulator hat zwei Wellenleiter, zwischen denen eine einfallende Lichtwelle aufgeteilt wird, wobei die Lichtwelle in den jeweiligen Wellenleitern phasenverschoben ist. Der Modulator hat den Nachteil, daß er nur einen Eingang und einen Ausgang hat, so daß es nicht möglich ist, ein Signal zwischen zwei Ausgängen zu schalten.

Die oben erwähnten Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß durch einen Richtungskoppler vermieden, der zwei Ausgänge hat und auch keine Gleichstromkomponente in seinem Steuersignal aufweist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Richtungskoppler in perspektivischer Darstellung von oben,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Koppler gemäß Fig. 1,

Fig. 3 den Koppler gemäß Fig. 1 in der Ansicht von oben und in seiner Verbindung mit einer Lichtquelle und einer modulierenden Spannungsquelle,

Fig. 4 das Diagramm einer Transferfunktion für den Koppler gemäß Fig. 1,

Fig. 5 Diagramme eines modulierenden elektrischen Signals und eines entsprechenden modulierten Lichtsignals,

Fig. 6 den Koppler gemäß Fig. 1 in der Ansicht von oben mit einer alternativen Ausführungsform der Elektroden,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Richtungskopplers und

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Richtungskopplers.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Richtungskopplers 1 besitzt ein Plättchen (Wafer) 2 aus opto-elektronischem Material, z. B. Lithiumnobiat (lithium nobiate), das Wellenleitermittel 4 und Elektroden 5 a und 5 b an seiner oberen planen Fläche 3 aufweist. Die Wellenleitermittel können durch ein Verfahren, beispielsweise durch Eindiffundieren von Titan in das Plättchen 2 bis in eine gewünschte Tiefe, erzielt werden. In einem Kopplungsbereich besitzen die Wellenleitermittel 4 zwei parallele, gekoppelte Wellenleiter 6 a und 6 b mit der Länge L und einem gegenseitigen Abstand d. Dieser Abstand ist so gewählt, daß das Licht in dem einen gekoppelten Wellenleiter auf den anderen gekoppelten Wellenleiter einwirkt und zu ihm hinüberwandern kann. Die Kopplung kann mit Hilfe der Elektroden 5 a und 5 b herbeigeführt werden, welche die Länge L haben und sich entlang ihrer zugehörigen gekoppelten Wellenleiter 6 a und 6 b erstrecken. An ihren Enden sind die Wellenleiter mit ihren zugehörigen Ausgängen 7 a und 7 b am Richtungskoppler 1 verbunden. An ihren anderen Enden sind die Wellenleiter 6 a und 6 b mit ihren entsprechenden Eingängen an zusätzliche Lichtwellenleiter 8 a und 8 b angeschlossen. Letztere sind miteinander und mit einem Wellenleitereingang 9 am Richtungskoppler 1 derart verbunden, daß sie eine gabelartige Verzweigung bilden.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Richtungskopplers 1 mit den durch Diffusion gebildeten, gekoppelten Lichtwellenleitern 6 a und 6 b und den Elektroden 5 a und 5 b auf der oberen planen Fläche des Plättchens 2.

Fig. 3 zeigt den Richtungskoppler 1 in der Ansicht von oben. Der Wellenleitereingang 9 ist durch eine optische Faser 10 mit einem schematisch dargestellten Laser 11 verbunden, der eine Lichtwelle P an den Koppler sendet. Ein Leiter 12 verbindet die Elektrode 5 a mit einer schematisch dargestellten Signalquelle 13, die ein Steuersignal S an die Elektrode 5 a abgibt. Die Elektrode 5 b ist mit Erdpotential verbunden und beide Elektroden, die als sog. Wanderwellen-Elektroden miteinander verbunden sind, enden reflexionsfrei über einen zwischen ihnen geschalteten Widerstand R.

Die einfallende Lichtwelle P wird in der gabelartigen Verzweigung zwischen den zusätzlichen Lichtwellenleitern 8 a und 8 b in zwei Teillichtwellen P 1 und P 2 geteilt. An den Eingängen zu den gekoppelten Wellenleitern 6 a und 6 b sind die Teillichtwellen phasengleich und die Verzweigung ist so angelegt, daß die Teillichtwelle P 1 im wesentlichen die gleiche Energie besitzt wie die Teillichtwelle P 2. Wenn das Steuersignal S = 0 ist, pflanzen sich die Teillichtwellen entlang der gekoppelten Wellenleiter 6 a und 6 b fort und werden von den Ausgängen 7 a und 7 b ausgesendet. Wenn das Steuersignal einen Wert S = V0 annimmt, wird die Kopplung zwischen den miteinander verbundenen Lichtwellenleitern wirksam, so daß die Teillichtwelle P 2 vom gekoppelten Lichtwellenleiter 6 b auf den gekoppelten Lichtwellenleiter 6 a geschaltet wird. Vom Wellenleiterausgang 7 a wird ein Lichtsignal P 3 in voller Stärke der einfallenden Lichtwelle P ausgesendet. Bei entgegengesetztem Vorzeichen des Steuersignals, S = -V0, wird die gesamte Energie der einfallenden Lichtwelle P vom Wellenleiterausgang 7 b ausgesandt.

Die Transferfunktion A des Richtungskopplers 1 ist in Fig. 4 dargestellt, wo ausführlicher gezeigt wird, wie die Energie der einfallenden Lichtwelle P zwischen den Wellenleiterausgängen 7 a und 7 b in Abhängigkeit von der Stärke des Steuersignals S aufgeteilt wird.

Es ist oben beschrieben worden, wie die einfallende Lichtwelle P zwischen den gekoppelten Lichtwellenleitern aufgeteilt und geschaltet wird. Bei der Signalspannung S = +V0 sendet der Richtungskoppler 1 die einfallende Lichtwelle P vollständig aus dem Ausgang 7 a oder 7 b. Das findet allerdings nur unter der Voraussetzung statt, daß die Länge L des Kopplungsbereiches in einem bestimmten Verhältnis zu einer Kopplungslänge Lc für die gekoppelten Lichtwellenleiter 6 a und 6 b steht. Unter der Kopplungslänge Lc ist hier die Länge entlang den gekoppelten Lichtwellenleitern zu verstehen, die notwendig ist, um eine Lichtwelle in einem Leiter vollständig auf den anderen Leiter umzuschalten, wenn das Signal S = 0 ist. Für den Richtungskoppler in Fig. 3 gilt die Bedingung L = 1/ × Lc.

In Fig. 5 wird an einem Beispiel demonstriert, wie die Lichtwelle P aus dem Laser 11 mit Hilfe des Steuersignals S moduliert wird. Fig. 5a zeigt in einem Diagramm, wie das Steuersignal mit der Zeit T zwischen den Spannungen +V0 und -V0 variiert. Das Steuersignal besteht aus Informationen in Form von logischen 1- und 0-Werten, wie dies unter dem Diagramm angezeigt ist. Fig. 5b zeigt das entsprechende Lichtsignal P 3, welches vom Wellenleiterausgang 7 a ausgesendet wird.

Ein erfindungsgemäßer Richtungskoppler 20, der mit Lichtwellenleitern 21 der gleichen Ausführung wie für den oben beschriebenen Richtungskoppler 1 ausgestattet ist, ist in Fig. 6 gezeigt. Zwei parallele, gekoppelte Lichtwellenleiter 22 a und 22 b einer Länge L 1 erstrecken sich über einen Kopplungsbereich. Diese gekoppelten Leiter sind an einem Ende an die Ausgänge 23 a und 23 b des Richtungskopplers 20 angeschlossen und am anderen Ende miteinander und mit einem Eingang 24 des Kopplers über eine gabelartige Verzweigung verbunden. Im Kopplungsbereich weist der Richtungskoppler 20 Elektroden 25 a und 25 b auf, die in Abschnitte aufgeteilt sind; die hier gezeigte Ausführung besitzt zwei Abschnitte. Eine ausführlichere Beschreibung dieses Elektrodentyps findet sich in dem vorgenannten Artikel von H. Kogelnik und R. V. Schmidt. Durch die Unterteilung der Elektroden in Abschnitte kann eine elektrische Anpassung der Kopplung zwischen den miteinander verbundenen Leitern 22 a und 22 b erreicht werden. Demzufolge wird ein fast vollständiges Umschalten von Licht vom einen zum anderen Ausgang erzielt, auch dann, wenn die Länge L 1 von der gewünschten Länge abweicht, z. B. aufgrund von unzureichender Genauigkeit bei der Herstellung. Für den Richtungskoppler 20 gilt die Beziehung L 1 = 1,65 × Lc, wobei Lc die oben erwähnte Kopplungslänge bedeutet.

Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Richtungskopplers 30 ist in Fig. 7 dargestellt. Der Koppler umfaßt ein Plättchen (Wafer) 31 aus opto-elektronischem Material mit Wellenleitermitteln 32. Der Wellenleiter hat in einem Kopplungsbereich zwei parallele, gekoppelte Lichtwellenleiter 33 a und 33 b in einem gegenseitigen Abstand d 2 und mit einer Länge L 2. Die umschaltende Kopplung zwischen den miteinander verbundenen Lichtwellenleitern kann mittels zweier Elektroden 34 a und 34 b herbeigeführt werden, die sich jeweils entlang ihren entsprechenden Leitern 33 a und 33 b erstrecken. Letztere sind mit ihren individuellen Ausgängen 35 a und 35 b am Richtungskoppler verbunden. An ihren anderen Enden sind ihre Eingänge jeweils an einen zusätzlichen Lichtwellenleiter 36 a bzw. 36 b angeschlossen. Letztere sind parallel zueinander und erstrecken sich über eine Länge L 3 in einem besonderen Kopplungsbereich, in dem Licht zwischen den zusätzlichen Lichtwellenleitern geschaltet werden kann. Diese Umschaltung kann mit Hilfe von zusätzlichen Elektroden 37 a und 37 b ausgeführt werden, die sich in dem zusätzlichen Kopplungsbereich entlang ihren entsprechenden Lichtwellenleitern 36 a und 36 b erstrecken. Diese Leiter sind durch ihre jeweiligen Wellenleitereingänge 38 a und 38 b am Richtungskoppler 30 angeschlossen. Der Laser 11 ist über die optische Faser 10 mit dem Wellenleitereingang 38 b verbunden und sendet die Lichtwelle P an diesen Eingang. Die Lichtwelle P pflanzt sich entlang dem zusätzlichen Lichtwellenleiter 36 b fort und wird auf den zusätzlichen Lichtwellenleiter 36 a umgeschaltet. Das Umschalten wird mittels einer Gleichspannungsquelle 39 gesteuert, die zwischen die Elektroden geschaltet ist. Es ist wünschenswert, daß die Umschaltung Teillichtwellen P 4 bzw. P 5 an den Eingängen zu den gekoppelten Lichtwellenleitern 33 a bzw. 33 b abgibt, so daß die Teillichtwelle P 4 im wesentlichen die gleiche Energie wie die Teillichtwelle P 5 besitzt und die gegenseitige Phasenverschiebung zwischen den Teilwellen annähernd 100° beträgt. Eine Berechnung der gekoppelten Schwingungen, die zwischen den zusätzlichen Leitern 36 a und 36 b auftreten, verdeutlicht, daß es möglich ist, die Länge L 3 des zusätzlichen Kopplungsbereiches, die Distanz d 2 zwischen den zusätzlichen Lichtwellenleitern und die Ausgangsspannung U der Gleichspannungsquelle so zu wählen, daß dieser Forderung entsprochen wird. Die Elektrode 34 a ist mit der Signalquelle 13 und die Elektrode 34 b ist mit Erdpotential verbunden, wobei beide Elektroden als Wanderwellen-Elektroden miteinander gekoppelt und untereinander mit dem Widerstand R verbunden sind. Die Signalquelle 13 sendet das Steuersignal S zur Steuerung der Teillichtwellen P 4 und P 5 zwischen den Ausgängen 35 a und 35 b des Richtungskopplers 30 in der Weise, wie sie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde.

Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Richtungskopplers 40 ist in Fig. 8 dargestellt. Ähnlich wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen besitzt der Richtungskoppler 40 ein Plättchen (Wafer) 41 aus opto-elektronischem Material, der auf seiner oberen Fläche Wellenleitermittel 42 besitzt. In einem Kopplungsbereich haben die Wellenleitermittel zwei parallele, gekoppelte Lichtwellenleiter 43 a und 43 b mit einer Länge L 4 und einem gegenseitigen Abstand d 4 sowie auch Elektroden 44 a und 44 b. Die Leiter 43 a und 43 b sind an einem Ende jeweils an ihre Ausgänge 45 a und 45 b am Richtungskoppler angeschlossen und besitzen an ihrem anderen Ende jeweils einen Eingang, der mit zusätzlichen Lichtwellenleitern 46 a bzw. 46 b verbunden ist. Diese zusätzlichen Leiter sind parallel und erstrecken sich in einem zusätzlichen Kopplungsbereich einer Länge L 5. In der Mitte zwischen den zusätzlichen Leitern 46 a und 46 b erstreckt sich ein Licht verteilender Lichtwellenleiter 47, der an den Eingang 48 am Richtungskoppler 40 angeschlossen ist. Die in diesen Eingang einfallende Lichtwelle P wird durch gekoppelte Schwingungen des Licht verteilenden Lichtwellenleiters 47 zwischen den zusätzlichen Lichtwellenleitern 46 a und 46 b verteilt. Die gesamte Lichtenergie in der Lichtwelle P wird auf die zusätzlichen Lichtwellenleiter umgeschaltet, die entsprechende Teillichtwellen P 6 und P 7 an die Eingänge zu den gekoppelten Lichtwellenleitern 43 a und 43 b senden. Diese Teillichtwellen sind phasengleich und besitzen untereinander im wesentlichen die gleiche Stärke. Die Teillichtwellen können zwischen den Ausgängen 45 a und 45 b des Richtungskopplers 40 mit Hilfe der Elektroden 44 a und 44 b, wie in Verbindung mit Fig. 3 oben beschrieben, gekoppelt werden.

Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Richtungskoppler haben den Vorteil, daß sie eine relativ hohe obere Grenzfrequenz, in der Größenordnung von 7 GHz, bei einer relativ niedrigen Modulationsspannung S besitzen. Diese Modulationsspannung hat keine Gleichspannungskomponente und ist daher vergleichsweise einfach zu generieren. Die Ausführungsformen nach Fig. 3 und 8 haben den Vorteil, daß der Kopplungsbereich L bzw. L 4 kurz ist, so daß der opto-elektronische Wafer 2 bzw. 41 klein ist und keine zusätzlichen Elektroden vorhanden sind, die mit einer Gleichspannung angesteuert werden. Ihr Nachteil ist, daß sie lediglich einen Eingang 9 bzw. 48 besitzen, so daß es unmöglich ist, zwei Lichtsignale mit Hilfe eines Richtungskopplers über Kreuz zu koppeln. Die Ausführungsform nach Fig. 7 besitzt den Vorteil, daß sie zwei Eingänge 38 a und 38 b haben kann. Ihr Nachteil ist, daß sie eine Gleichspannung erfordert und daß sie zwei mit Elektroden versehene Kopplungsbereiche L 2 und L 3 besitzt, was zur Folge hat, daß der Richtungskoppler 30 einen großen opto-elektronischen Wafer 31 haben muß.

In den dargestellten Ausführungsformen besitzt der Richtungskoppler einen Wafer 2, 31, 41 mit einer Ausrichtung der Kristallachsen derart, daß das Licht sich in Richtung der optischen Achse ausbreitet. Es ist möglich, die Erfindung auf Richtungskoppler anzuwenden, bei denen die Ausrichtung der Kristallachsen hiervon abweicht. Jedoch haben dann die Elektroden eine Ausführung, die dieser abweichenden kristallinen Ausrichtung angepaßt ist, und eine äußere Erscheinungsform, die von den in den Abbildungen dargestellten Elektroden abweicht.

Claims (4)

1. Opto-elektronischer Richtungskoppler mit

• a) zwei in gegenseitigem Abstand zueinander befindlichen, gekoppelten Lichtwellenleitern, die sich in einem Kopplungsbereich erstrecken und jeder von ihnen an einen Wellenleiterausgang am Richtungskoppler angeschlossen ist, sowie Elektroden im Kopplungsbereich, mit Hilfe derer die optische Kopplung zwischen den gekoppelten Leitern mittels eines Steuersignals bewirkt werden kann, und
• b) zusätzlichen Lichtwellenleitern, von denen wenigstens einer mit einem Wellenleitereingang am Richtungskoppler in Kommunikation ist, wobei die zusätzlichen Lichtwellenleiter so angeordnet sind, daß eine ankommende Lichtwelle am Wellenleitereingang des Richtungskopplers zwischen den zusätzlichen Lichtwellenleitern in zwei Teillichtwellen aufgeteilt wird, und wobei jede Teillichtwelle im wesentlichen die gleiche Energie besitzt und zur anderen phasengleich oder um eine halbe Phasenlänge phasenverschoben ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelten Lichtwellenleiter (6 a, 6 b; 22 a, 22 b; 33 a, 33 b; 43 a, 43 b) jeweils mit einem der zusätzlichen Lichtwellenleiter (8 a, 8 b; 36 a, 36 b; 46 a, 46 b) verbunden sind und daß die ankommende Lichtwelle (P) zwischen den Ausgängen (7 a, 7 b; 35 a, 35 b; 45 a, 45 b) des Richtungskopplers (1; 30; 40) umgeschaltet werden kann durch Schaltung der Teillichtwellen (P 1, P 2; P 4, P 5; P 6, P 7) zwischen den gekoppelten Lichtwellenleitern mittels des an eine der Elektroden (5 a; 34 a; 44 a) angelegten Steuersignals (S), wobei das Signal beim Umschalten ein positives (+V0) oder negatives (-V0) Potential annimmt in Bezug auf ein Bezugspotential, mit dem die andere Elektrode (5 b; 34 b; 44 b) verbunden ist, und wobei das positive Potential (+V0) annähernd den gleichen numerischen Wert hat wie das negative Potential (-V 0).

2. Opto-elektronischer Richtungskoppler nach Anspruch 1, worin jeder der gekoppelten Lichtwellenleiter eine durchgehende Elektrode besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eine Länge L haben, auf welche die Beziehung L = 1/ Lc anwendbar ist, worin Lc eine Kopplungslänge für die gekoppelten Lichtwellenleiter (6 a, 6 b; 33 a, 33 b; 43 a, 43 b) bedeutet.

3. Opto-elektronischer Richtungskoppler nach Anspruch 1, worin jeder der gekoppelten Lichtwellenleiter eine Elektrode besitzt, die in zwei annähernd gleich lange Abschnitte unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eine Länge L 1 haben, auf welche die Beziehung L 1= 1,85 × Lc anwendbar ist, worin Lc eine Kopplungslange für die gekoppelten Lichtwellenleiter (22 a, 22 b) bedeutet.