DE60010053T2

DE60010053T2 - Elektrisch verstellbares beugungsgitter

Info

Publication number: DE60010053T2
Application number: DE60010053T
Authority: DE
Inventors: Mykola Montreal Kulishov
Original assignee: PPM PHOTOMASK Inc; PPM PHOTOMASK Inc MONTREAL
Current assignee: PPM PHOTOMASK Inc; PPM PHOTOMASK Inc MONTREAL
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: CA2261197A1; US6353690B1; DE60010053D1; WO2000049457A1; EP1155355A1; EP1155355B1; AU769527B2; AU2653900A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Beugungsgittern und betrifft insbesondere ein solches Gitter mit elektrisch einstellbarem Brechungsindex und elektrisch einstellbarer räumlicher Periodizität.
Hintergrund der Erfindung
Periodische Strukturen oder Gitter sind auf dem Gebiet der optischen Nachrichtenübertragung bzw. Kommunikation aufgrund der Vielfältigkeit der Funktionen, die sie ausüben können, von enormer Wichtigkeit. Beispielsweise ermöglicht die Phasenanpassungsfunktion eines Gitters vielfältige Koppler von zwei oder mehreren Wellen, die die Anpassungsbedingungen erfüllen. Gitter sind auch Elemente mit hoher Wellenlängendispersion, und dies ermöglicht ihre Anwendung in einer Anzahl von Vorrichtungen zur Multiplextechnologie für die Wellenlängenteilung. Für die Lichtausbreitung innerhalb eines Wellenleiters, wie eine optische Faser oder irgendein anderer Typ, können Gitter als Eingangs/Ausgangskoppler, Wellenleiter-Kopplungselement (-Interface), Modus-/Polarisations-Umwandler, Modus-/Polarisations-Filter, Ablenker bzw. Deflektoren, Reflektoren, usw. dienen. Für extern auftreffende Lichtwellen können Gitter als optische Modulatoren oder Lichtschalter dienen.
Bekannte periodische Strukturen in der integrierten Optik umfassen passive (statische) optische Gitter, bei denen das Gitter in der Form eines periodischen Oberflächenreliefs oder einer periodischen Brechungsindexveränderung erzeugt wird. Ein solches Gitter ist daher festgelegt und kann folglich nicht "ausgeschaltet" werden, und sein Beugungswirkungsgrad kann nicht geregelt werden. Es ist bekannt, dass der Beugungswirkungsgrad der Beugung durch dynamisches Verändern des Brechungsindexes des verwendeten Materials verändert werden kann. Um dies zu erreichen, ist eine im Stand der Technik verwendete Lösung das Verwenden des elektro-optischen Effekts (Kerr oder Pockels), um den Brechungsindex elektrisch zu variieren, wobei dann die periodische Funktion des zu verändernden Index durch Reihen von auf der Oberfläche angeordneten oder eingebetteten gefingerten Elektroden bestimmt wird. Ein elektrisches Potenzial wird an eine solche Elektrodenstruktur angelegt, um dann ein elektrisch regelbares Beugungsgitter zu erzeugen. Der Kopplungskoeffizient zwischen einfallenden und gebeugten Moden ist proportional zu der Amplitude der durch die Spannung an den Elektroden induzierten effektiven Indexvariation. Daher erhöht das Erhöhen der angelegten Spannung V₀ die Kopplung zwischen den wechselwirkenden Moden. In diesem Sinne kann das Gitter als einstellbar angesehen werden. Mit diesem Entwurf ist es jedoch unmöglich, die fundamentale Raumfrequenz des induzierten Gitters, welche durch die Elektrodenstruktur vordefiniert ist und 2l gleicht, wobei l die räumliche Periode der Elektroden ist.
US-Patent Nr. 5,438,637 (Nilsson et al.) zeigt eine elektrisch regelbare optische Filtervorrichtung, bei der ein Gitter innerhalb eines elektro-optischen Materials durch die Anwendung einer Spannung auf das in 1 (Stand der Technik) gezeigte gefingerte Elektrodensystem induziert werden kann. Der Oberbegriff des Anspruchs 1 beruht auf diesem Dokument US 5,438,637 . Der Effekt der angelegten Spannung kann als eine räumlich periodisch effektive Indexvariation angenähert werden:
wobei n₀ der intrinsische Brechungsindex des Materials ist, und m die räumliche Harmonische der fundamentalen Gitterperiodizität Λ = 2l. Weil der elektro-optische Effekt klein ist, ist in den meisten Fällen nur die fundamentale Harmonische (m = 1) von Bedeutung. Der Kopplungskoeffizient zwischen der einfallenden und der gebeugten Mode ist proportional zur Amplitude der Brechungsindexvariation, die durch die Spannung an den Elektroden induziert wird. Wie oben erwähnt erhöht die Erhöhung der angelegten Spannung V₀ die Kopplung zwischen den wechselwirkenden Moden, jedoch ist es unmöglich, die fundamentale Raumfrequenz des Gitters oder den Mittelwert der Brechungsindexverteilung zu verändern, was die Schlüsselidee für die Feineinstellung der Gitterleistungsfähigkeit ist.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Beugungsgitter bereitzustellen, bei dem sowohl der Brechungsindex als auch die räumliche Periodizität elektrisch eingestellt werden können.
Ein bevorzugtes Ziel der Erfindung ist es, ein solches Gitter bereitzustellen, das eine große Flexibilität aufweist und das leicht in verschiedene Lichtregelvorrichtungen, einschließlich Wellenleiter und faseroptischer Anwendungen, integriert werden kann.
Eine bevorzugte Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gitter bereitzustellen, das einfach und nicht teuer herzustellen ist.
Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein elektrisch einstellbares Beugungsgitter mit einem Brechungsindex und einer räumlichen Frequenz zur Verfügung, wobei das Gitter umfasst:
ein Substrat;
eine elektro-optische Struktur, die sich über das Substrat erstreckt, wobei die elektro-optische Struktur einen Wellenleiter mit einer Ausbreitungsachse umfasst;
eine erste und eine zweite Elektrodenstruktur zum Erzeugen eines elektrischen Feldes dazwischen, wobei das elektrische Feld das Beugungsgitter in dem Wellenleiter induziert, wobei die erste und zweite Elektrodenstruktur auf gegenüberliegenden Seiten der elektro-optischen Struktur angeordnet sind und jede sich in einer Ebene parallel zu der Ausbreitungsachse des Wellenleiters erstreckt, wobei die erste Elektrodenstruktur einen ersten und einen zweiten Satz gefingert angeordneter Finger umfasst, wobei der erste Satz Finger unter einem Potential V₀ steht und der zweite Satz Finger unter einem Potential V₀+
steht, wobei V₀ zum Einstellen des Brechungsindexes des Beugungsgitters variabel ist und
zum Schalten der räumlichen Periodizität des Gitters zwischen diskreten Werten variabel ist.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein elektrisch einstellbares Beugungsgitter zum Verändern von extern darauf einfallendem Licht zur Verfügung, wobei das Beugungsgitter umfasst:
ein Substrat;
eine elektro-optische Struktur, die sich über das Substrat erstreckt;
eine erste und eine zweite Elektrodenstruktur zum Erzeugen eines elektrischen Feldes dazwischen, wobei das elektrische Feld das Beugungsgitter in der elektrooptischen Struktur induziert, wobei die erste und zweite Elektrodenstruktur sich entlang übereinander angeordneter Ebenen parallel zueinander und zu der elektro-optischen Struktur erstrecken und auf gegenüberliegenden Seiten der elektro-optischen Struktur angeordnet sind, wobei die erste Elektrodenstruktur einen ersten und einen zweiten Satz von gefingert angeordneter Fingern umfasst, wobei der erste Satz Finger unter einem Potential V₀ ist und der zweite Satz Finger unter einem Potential V₀+
, wobei V₀ zum Einstellen des Brechungsindexes des Beugungsgitters variabel ist und
zum Schalten der räumlichen Periodizität des Gitters zwischen diskreten Werten variabel ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Gitter so gebildet sein, dass es als ein Bragg-Filter wirkt. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann das Gitter zum kolinearen Gegenrichtungskoppeln für eine Reflektorfunktion verwendet werden, wobei es als ein aktiver optischer Filter für verteilte Rückkoppel- (DFB, distributed feedback) bzw. verteilte Braggreflektions- (DBR, distributed bragg reflection) Laser dient. Andere Ausführungsformen beziehen sich auf Anwendungen in Multiplexsystemen zur Wellenlängenteilung (WDM, wavelength division multiplexing) für faseroptische Kommunikation. Das Gitter kann alleine oder in Kombination mit anderen elektro-optischen Komponenten zum Bilden integrierter Strukturen eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden beim Lesen der folgenden nicht einschränkenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines elektrooptischen Gitters nach dem Stand der Technik, unter Verwendung eines einseitigen gefingerten Elektrodensystems.
2 ist eine Querschnittsansicht eines einstellbaren elektro-optischen Beugungsgitters mit einer elektrisch umschaltbaren Periode entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine perspektivische, teilweise Querschnittsansicht eines in einem optischen Filter verwendeten Beugungsgitters, entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A ist eine schematische Draufsicht eines in einem faserinternen Filter (Inlinefilter) verwendeten Beugungsgitters entsprechend einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung;
4B ist eine teilweise Querschnittsansicht des Faserfilters der 4A.
5A ist eine schematische Draufsicht eines in einem Wellenleitergitterfilter verwendeten Beugungsgitters entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
5B ist eine teilweise Querschnittsansicht des Wellenleitergitterfilters der 5A.
6 stellt eine perspektivische, teilweise Querschnittsansicht eines Beugungsgitters entsprechend einer anderen Ausführungsform dar, das in einer durch ein Gitter bewirkten Richtungskopplung von zwei Wellenleitern verwendet wird.
7 ist eine Querschnittseitenansicht eines Ausgangsgitterkopplers entsprechend einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung.
8A ist eine Querschnittseitenansicht einer doppelseitigen Elektrodenstruktur, die ein schaltbares schräges Gitter innerhalb eines elektro-optischen Films erzeugt, entsprechend einer anderen Ausführungsform;
8B zeigt die vereinfachte Brechungsindexverteilung zwischen den Elektrodenstrukturen der 8A, wenn
= –V₀;
8C zeigt die vereinfachte Brechungsindexverteilung zwischen den Elektrodenstrukturen der 8A, wenn
= –2V₀;
9A ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalters, der ein Bragggitter verwendet entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
9B ist eine Querschnittseitenansicht der Elektrodenstrukturen, die in einer ersten Variante der Ausführungsform der 9A verwendet wird;
9C ist eine Querschnittsseitenansicht der Elektrodenstrukturen, die in einer zweiten Variante der Ausführungsform der 9A verwendet wird.
10 ist eine schematische Darstellung des Effekts eines Beugungsgitters bezüglich extern auftreffenden Lichts nach einem nicht der Erfindung entsprechenden Beispiel.
11 ist eine Serie von Schaubildern, die die Fernfeld-Beugungsmuster zeigt von Beugungsgittern mit einem PLZT elektro-optischen Substrat mit doppelseitigen, gefingerten Elektrodenstrukturen.
12 ist eine Querschnittsseitenansicht eines weiter nicht beanspruchten Beugungsgitters mit Elektrodenstrukturen auf den gegenüberliegenden Seiten eines elektro-optischen Substrats, die um eine Hälfte der Periode gegeneinander versetzt sind.
13A ist eine Querschnittsseitenansicht eines weiter nicht beanspruchten optischen Schalters, der eine Vielzahl von Paaren von in 12 gezeigten elektro-optischen Strukturen verwendet.
13B und 13C sind ebenfalls Querschnittsansichten von nicht beanspruchten übereinander gestapelten optischen Schaltern in zwei verschiedenen Konfigurationen, wobei
auf –2V₀ gesetzt ist; und 13D und 13E sind ähnliche Ansichten, wobei
auf –V₀ gesetzt ist.
14 ist eine Aufsicht auf eine gebogene Elektrodenstruktur entsprechend einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Bezugnehmend auf 2 wird eine vereinfachte Ausführungsform eines elektrisch einstellbaren Beugungsgitters 20 für einen Wellenleiter 22 gezeigt. Das Gitter umfasst eine elektro-optische Struktur 24, die sich über ein Substrat 26 erstreckt. Die elektro-optische Struktur weist die Eigenschaft auf, dass ihr Brechungsindex sich verändert, wenn sie einem elektrischen Feld unterliegt. Der Wellenleiter 22 wird in der elektrooptischen Struktur 24 gebildet, und optische Wellen breiten sich darin entlang der Ausbreitungsrichtung 28 aus. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die elektro-optische Struktur ein aus einem Material wie LiNbO₃ gebildeter, elektro-optischer Stab 24, in dem der Wellenleiter gebildet wird.
Erste und zweite Elektrodenstrukturen 30 und 32 sind auf gegenüberliegenden Seiten der elektro-optischen Struktur parallel zu der Ausbreitungsrichtung 28 bereitgestellt. Die ersten und zweiten Elektrodenstrukturen 30 und 32 werden verschiedenen Potentialen unterworfen, um dazwischen ein elektrisches Feld und damit den Wellenleiter zu erzeugen. Die erste Elektrodenstruktur 30 weist eine gefingerte Konfiguration auf, die in dieser Ausführungsform aus zwei miteinander verzahnten Elektroden 30a und 30b besteht, wobei jede eine Vielzahl von streifenähnlichen Fingern, die an einem Ende miteinander verbunden sind, um jeder Elektrode 30a und 30b eine kammähnliche Form zu verleihen. Die Elektrode 30a ist unter dem elektrischen Potential (V₀+
),während die Elektrode 30b unter dem elektrischen Potential V₀ ist. Auf diese Weise werden benachbarte Finger verschiedenen Potentialen unterworfen und erzeugen die Periodizität aufgrund des resultierenden elektrischen Feldes.
In der veranschaulichten Ausführungsform weist die zweite Elektrodenstruktur 32 eine zu der ersten Elektrodenstruktur 30 symmetrische Konfiguration auf, wobei sie aus zwei gefingert angeordneten, kammförmigen Elektroden 32a und 32b gebildet sind, die den Potentialen –V₀ bzw. –(V₀+
) unterworfen sind. Die zwei Elektrodenstrukturen 30 und 32 erstrecken sich vorzugsweise entlang übereinander angeordneter paralleler Ebenen auf den jeweiligen Seiten der elektro-optischen Struktur 24. Auch in dieser Ausführungsform sind die Elektrodenstrukturen 30 bzw. 32 ausgerichtet, sodass die Finger unter den Potentialen V₀ bzw. –V₀, und die Finger unter den Potentialen V₀+
bzw. –(V₀+
) jeweils in direkter Ausrichtung miteinander und auf den jeweiligen Seiten der Ausbreitungsrichtung 28 sind.
Vorzugsweise trennen erste und zweite Pufferschichten 34 bzw. 36 die elektro-optische Struktur 24 von den Elektrodenstrukturen 30 bzw. 32, um die Wechselwirkung des verschwindenden Ausläufers der optischen Welle in den verlustbehafteten metallischen Oberflächen zu minimieren. Die Pufferschichten 34 und 36 sind aus einem isolierenden Material, vorzugsweise SiO₂, gebildet.
Wenn die oben erläuterten Potentiale an die Elektroden 30a, 30b, 32a und 32b angelegt werden, wird eine elektrische Potenzialverteilung innerhalb der elektrooptischen Struktur 24 erzeugt, die in der Form einer Fourier-Reihe ausgedrückt werden können:
wobei die Ausdehnungskoeffizienten E₀ und E_m durch die Vorspannung
geregelt werden können. Ein solches elektrisches Feld innerhalb der elektro-optischen Struktur 24 induziert eine Brechungsindexverteilung, die in der folgenden Form ausgedrückt werden kann:
wobei im Unterschied zum Fall des Stands der Technik (siehe Gleichung 1) die konstante Komponente des elektrischen Feldes die konstante Komponente des induzierten Brechungsindexes n₀ ^(E) erzeugt, die sowohl durch die angelegte Spannung V₀ als auch durch
fein eingestellt werden kann. Auf diese Weise wird der Mittelwert des Brechungsindexes des Gitters elektrisch einstellbar. Die Kopplungsstärke zwischen der eintreffenden und der gebeugten Mode ist proportional zur Amplitude der Brechungsindexvariation, die durch die Spannung an den Elektroden induziert wird; sie kann daher vom Startwert V₀=0 und aufwärts elektrisch geregelt werden. Die Veränderung des Brechungsindexes, die in einer elektrooptischen Struktur mit einer effektiven Periode Λ induziert wird, ist proportional zur elektrischen Feldstärke –∇φ(x,z) für den elektro-optischen Pockelseffekt, und für den elektro-optischen Kerreffekt ist sie eine quadratische Funktion des elektrischen Feldes (∇φ(x,z))².
Die induzierte Brechungsindexverteilung hat auch einen variablen Anteil, der in Gleichung 3 als eine Fourier-Entwicklung mit harmonischen Komponenten n_m dargestellt ist, die durch die Vorspannung
geregelt werden können. Durch diese Komponente kann auch die fundamentale räumliche Periodizität des Gitters elektrisch eingestellt werden. Wenn Beispielsweise
= 0, sind alle ungeraden Koeffizienten (m = 1, 3, 5, ...) 0. Alle geraden Koeffizienten (m = 2, 4, 6, ...) einschließlich des konstanten Terms E₀ verschwinden, wenn
= –2V₀, wodurch ein Brechungsindexgitter mit der fundamentalen Periodizität Λ = 2l generiert wird. Sowohl die ungeraden als auch geraden Harmonischen durch das Anlegen der Vorspannung, beispielsweise auf
= –V₀ können eingeschaltet werden. Wie aus den obigen Beispielen ersichtlich, kann das Gitter zwischen zwei verschiedenen, diskreten Raumfrequenzen geschaltet werden, in Abhängigkeit davon wie die Elektroden beaufschlagt werden.
Wenn ein Gitter als ein Bragg-Reflektionsfilter für eine Leitung eingesetzt wird, kann die Spitzenreflektivität des Gitters dadurch eingestellt werden, dass entweder die Gitterperiode oder ihr Brechungsindex verändert wird. Bei Verwendung einer konstanten Komponente des elektrischen Felds zwischen den Elektroden 30a, 30b und 32a, 32b kann eine Veränderung in der konstanten Komponente des Brechungsindex induziert werden, was es ermöglicht, die Wellenlänge in dem Filter dynamisch fein einzustellen. Das Verschieben der Spitzenreflektivität beeinflusst auch die Transmission auf nahen Wellenlängen, so dass mittels des gleichen Effekts auch die Lichttransmission moduliert werden kann. Alle diese Eigenschaften des vorgeschlagenen Entwurfs bewirken, dass er als ein Baustein für eine Vielzahl von Vorrichtungen der integrierten Optik und für Nachrichtenübertragungssysteme dienen kann.
Bezugnehmend auf 3 wird eine Ausführungsform einer elektrisch regelbaren Filtervorrichtung auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen Wellenleiter W, der innerhalb eines elektrooptischen Stabs S (beispielsweise aus LiNbO₃ oder einem elektro-optischen Polymer) gebildet ist und vorzugsweise eine Dicke von annähernd 0,5 bis 2 μm und eine Breite von etwa 5 μm aufweist. Die zwei Pufferschichten L1 und L2 trennen den elektro-optischen Stab von einer doppelseitigen Elektrodenkonfiguration in der Form von gefingerten Elektrodenstrukturen A1, A2, B1 und B2. Der optische Wellenleiter W hat einen Brechungsindex n, der den Brechungsindex des Stabs und der Pufferschichten etwas übersteigt. Die Vorrichtung funktioniert derart, dass wenn die Vorspannung auf
= 0 gesetzt wird, ein Gitter mit einer Periode von § = l, wie oben beschrieben erzeugt wird, dass selektiv Licht mit der Wellenlänge λ₁ der geführten Mode in eine sich vorwärts ausbreitende Randmantelmode koppelt. Diese Randmantelmode schwächt sich aufgrund verschiedener Verlustmechanismen schnell ab, wenn sie sich innerhalb der Pufferschichten ausbreitet. Mit der Vorspannung
= –2V₀ wird ein Gitter der Periodizität Λ = 2l induziert, das die Kopplung von Licht auf der Wellenlänge 2λ₁ bereitstellt. In Abhängigkeit davon wie die Elektroden beaufschlagt werden, kann der Filter auf die verschiedenen diskreten Frequenzen geschaltet werden, und die Wellenlängen der Spitzenreflektion können unter Verwendung der konstanten Komponente des elektrischen Feldes durch ein Einjustieren von V₀ fein eingestellt werden.
Bezugnehmend auf die 4A und 4B wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die für optische Fasernachrichtenübertragung verwendet wird, nämlich ein elektrisch schaltbares Filter für alle Fasern.
Für diese bestimmte Anwendung wird die vorliegende Erfindung in ebener Geometrie ausgeführt, d.h. dass sich sowohl die erste und zweite Elektrodenstruktur entlang einer gleichen Ebene auf beiden Seiten der elektrooptischen Struktur erstrecken. Eine optische Faser F wird in die gekrümmte Nut eines Substrats SB geklebt und ihr Mantel CL wird lateral poliert, bis der Kern C erreicht ist. Die erste und zweite Elektrodenstruktur werden auf der Substratoberfläche symmetrisch mit dem gleichen Abstand zur Faserachse platziert, so dass eine Lücke dazwischen gebildet wird. Weil eine herkömmliche optische Faser nicht elektro-optisch aktiv ist, wird die Lücke zwischen den Fingern der ersten und zweiten Elektrodenstruktur gefüllt mit einem elektro-optischen Film FL, der in Berührung mit der optischen Faser ist. Vorzugsweise weisen die Elektrodenfinger der entsprechenden Elektrodenstrukturen eine Verschiebung ‰ in Bezug aufeinander auf, wobei 0 ≤ ‰ < 2l. Diese Verschiebung spielt zwei Rollen. Erstens verringert sie die Elektrodenkapazität, die ein Minimum bei ‰ = l/2) erreicht, wobei infolgedessen die Schaltzeit und der Energieverbrauch verringert werden. Zweitens erlaubt diese Verschiebung, falls gewünscht, die Erzeugung eines geneigten Brechungsgitters (es kann nur erreicht werden, falls
≠ 0) . Das Anwenden der Spannung in der oben beschriebenen Weise erzeugt ein elektrisches Feld zwischen der ersten und zweiten Elektrodenstruktur der linken bzw. rechten Seite der elektro-optischen Struktur, das in den elektro-optischen Film FL eindringt, wodurch erfindungsgemäß darin ein regelbares Indexgitter induziert wird. Dieses induzierte Gitter wechselwirkt mit dem verschwindenden Feld der geführten Welle in dem Kern. Einstellen der Vorspannung
erlaubt, dass die Gitterperiode Λ zwischen l und 2l verändert werden kann, wodurch in der für die vorgehenden Ausführungsformen beschriebenen Weise infolgedessen auf verschiedene gefilterte Frequenzen geschaltet wird. Indem ferner die Spannung V₀ eingestellt wird, kann der Filter in vorteilhafter Weise zuvor in der Nähe dieser gefilterten Frequenzen durch eine Veränderung der konstanten Komponente des induzierten Brechungsindex voreingestellt werden. Moderne Herstellungstechnologien im Nanobereich machen gefingerte Elektrodenstrukturen mit Submikronfingerabständen möglich (K. Yamanouchi, T. Meguro, Y. Wagatsuma et al. "Nanometer electrode fabrication technology using anodic oxidation resist films and application to 10 Ghz surface acoustic wave devices", Electronics Letters, 30, 1010 (1994); Z. Yu, S.J. Schablitsky, S.Y. Chou, "Nanoscale GaAs metal-semiconductormetal photodetectors fabricated using nanoimprint lithography", Appl. Phys. Lett., 74, 2381 (1999)), was die Ausführungsform der 4A und 4B verwendbar macht als ein elektro-optischer einstellbarer Bragg-Faserfilter für WDM-Telekommunikationssysteme.
Bezugnehmend auf die 5A und 5B wird eine zweite Ausführungsform in ebener Geometrie gezeigt, wie sie für einen herkömmlichen Grat-Wellenleiter W angewendet wird. Der Wellenleiter W wird vorzugsweise durch eine wohl entwickelte Technik, wie Protonenaustausch durch Ausheizen (APE, annealed proton exchange) auf der oberen Oberfläche eines elektro-optischen Kristalls (wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat, KTP usw.) gebildet. Alternativ können von Protonen verschieden Ionen in das Substratmaterial eindiffundiert oder durch Ionenaustausch eingebracht werden. Der APE-Wellenleiter vergrößert den außergewöhnlichen Brechungsindex des Kristalls, wodurch ein Leiter für Licht, das entlang der z-Achse polarisiert ist, gebildet wird. Für einen in einer z-Ebene geschnittenen Kristall entspricht dies einer TM polarisierten Mode. Wellenleiter, die mit alternativen Techniken, wie Titan-Eindiffusion in Lithiumniobat, erzeugt werden, können sowohl eine TM und eine TE Polarisation unterstützen. Der Wellenleiter erstreckt sich zwischen der rechten und linken Elektrodenstruktur mit einem gleichen Abstand von den Elektrodenfingern. Die Abstände zwischen dem Wellenleiter W und den Elektrodenfingern A und B werden gefüllt mit Pufferschichten, die aus einem dielektrischen Material, wie SiO₂, das einen Brechungsindex niedriger als der Brechungsindex des Wellenleiters aufweisen. Diese Pufferschichten BL bilden die Mantelschicht des Wellenleiters und schützen eine geführte Welle vor den verlustbehafteten Wechselwirkungen mit den Elektroden.
Die ebene Architektur ermöglicht es, jede beliebige Form einer Gitterstärke ν = n₁L/λ entlang Ihrer Länge (x-Richtung) durch die räumliche Modulation der Elektrodenspannung V₀(x) nach Maß anzufertigen, wobei n₁ die Brechungsindexänderung erster Ordnung in der Fourier-Entwicklung der Brechungsindexverteilung, λ die Wellenlänge im Vakuum und L die Gitterlänge ist. Dies kann durch Verwendung einer geeignet eingestellten Spannung oder einer stromteilenden Schaltung, wie einer Kombination von Widerständen, erreicht werden. In vorteilhafter Weise gibt sie über einen großen Einstellbereich vollständige Kontrolle über die Filtercharakteristiken bezüglich Kanaltrennung, Seitenkeulenunterdrückung und Kopplungseffizienz.
Bezugnehmend auf 6 wird eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der das Beugungsgitter in einen Richtkoppler eingebaut ist. In dieser Ausführungsform wird ein erster und ein zweiter Wellenleiter W1 und W2 mit entsprechenden Brechungsindizes n₀₁ und n₀₂ innerhalb des elektro optischen Stabs S gebildet. Wie in den vorherigen Ausführungsformen sind beide Seiten des elektro-optischen Stabs mit vorzugsweise aus SiO₂ hergestellten, nicht elektro-optischen Pufferschichten bedeckt. Die erste und zweite Elektrodenstruktur sind jeweils auf den freien Oberflächen der Pufferschichten angeordnet. Die Elektrodenstrukturen sind hier in der Form von kammförmigen Elektroden A₁, A₂, B₁ und B₂ ähnlich den oben beschriebenen. Weil die Wellenleiter W₁ und W₂ verschieden sind, haben sie bei derselben Frequenz ω/2π verschiedene Ausbreitungskonstanten β₁(ω)=2π/λ₁(ω) und β₂(ω)=2π/λ₂(ω). Das induzierte Gitter führt zu einer Kopplung zwischen den Wellenleitern W₁ und W₂, vorausgesetzt, dass β₁(ω)–β₂(ω)=±2π/Λ. Durch Verändern der Vorspannung
kann die Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern von einer Wellenlänge auf eine andere umgeschaltet werden, während gleichzeitig die Kopplungsstärke durch Variieren von V₀ geregelt werden kann. In verschiedenen Varianten dieser Ausführungsform können die zwei in 6 gezeigten Wellenleiter auch nicht parallel zueinander sein, oder sie brauchen nicht einmal gerade sein. Wenn gewünscht beispielsweise zum räumlichen Verändern der Wechselwirkungsstärke zwischen den Wellenleitern, kann die Trennung zwischen ihnen entsprechend eingestellt werden.
Bezugnehmend auf 7 wird noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Indexgitter wird durch doppelseitige Elektrodenstrukturen A und B mit Pufferschichten L1 und L2, die in einer im wesentlichen analogen Weise zu dem was oben beschrieben wurde angeordnet sind, in einen Wellenleiter W induziert. Wenn eine geführte Mode in den Gitterbereich eindringt, gibt das Indexgitter räumliche Harmonische mit Ausbreitungskonstanten _,q(ϖ) = _,0(ω)+2qπ/Λ (q = 0, ±1, ±2, ...). Wenn Ordnungen q, die die Bedingungen |_,q| < 2n_aπ/λ oder |_,s| < 2n_sπ/λ erfüllen, anwesend sind, strahlen die Harmonischen in die Luft und/oder das Substrat ab unter einem Winkel θ_q ^a bzw. θ_q ^s, die gegeben sind durch
wobei n_a und n_s die Brechungsindizes von Luft und vom Substrat, λ die Wellenlänge im freien Raum, n_s der Brechungsindex der geführten Mode und Λ die Gitterperiode ist. Das Einstellen der Vorspannung
ermöglicht, dass die Gitterperiode Λ zwischen l und 2l variiert werden kann und infolge dessen die Ausgangswinkel θ_q ^a und θ_q ^s verändert werden. Diese Ausführungsform eines Gitterausgangskopplers kann beispielsweise für intraplane bis interplane optische Verbindungen verwendet werden.
Gitterkoppler können zum Anregen und Auskoppeln einer geführten Welle eingesetzt werden. Jedoch wird der Ausgang in ungefähr gleiche Hälften für Luft und das Substrat aufgeteilt, wie in der 7 zu sehen ist. Bezugnehmend auf die 8A, 8B und 8C wird eine andere Ausführungsform gezeigt, bei der unnötige Strahlung eliminiert werden kann und die Ausgangsleistungseffizienz maximiert wird. In dieser Ausführungsform ist die zweite Elektrodenstruktur in einer Offsetanordnung mit der ersten Elektrodenstruktur, so dass die entsprechenden Potentiale V₀, –V₀ und V₀+
, –(V₀+
) nicht vertikal ausgerichtet sind. Dieses Verschieben der ersten und zweiten Elektrodenstruktur in Bezug zueinander um einen bestimmten Abstand δ (0 ≤ δ < 2l) induziert innerhalb des elektro-optischen Wellenleiters ein geneigtes Gitter. 8A zeigt eine allgemeine Darstellung des Entwurfs und die 8B bzw. 8C zeigen jeweils wie vereinfachte Brechungsindexverteilung für
= –V₀ bzw.
= –2V₀. Gestrichelte Linien verbinden die benachbarten Elektroden mit der maximalen Potentialdifferenz 2V₀. Wie ersichtlich kann für ein elektro-optisches Material mit einem quadratischen elektro-optischen Effekt durch das Schalten der Vorspannung von
= –2V₀ auf
= –V₀ die induzierte fundamentale Periodizität des Gitters von l auf 2l verändert werden. Eine vorteilhafte Eigenschaft dieser Ausführungsform ist es, dass das Einstellen von
auf 0 das schräge Gitter in ein gerades verdreht.
Bezugnehmend auf die 9A und 9B wird eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt, in der ein Bragg-optischer Schalter durch die koplanare Beugung von geführten Wellen durch ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter verwirklicht wurde. In dieser Ausführungsform wird, im Gegensatz zu den vorigen Ausführungsformen, die Ausbreitungsrichtung nicht senkrecht in Bezug auf die Länge der Finger der Elektroden gesetzt. Das Gitter beugt die geführte Welle, die die Bragg-Bedingung für die Gitterperiode, Wellenlänge und Einfallswinkel der geführten Welle erfüllt. Durch Schalten der Gitterperiode zwischen l und 2l oder durch Ausschalten der Spannung kann das Schalten zwischen mindestens drei Zuständen erreicht werden. Ein Schalten zwischen mehreren Zuständen kann mittels eines Kaskaden-Arrays von Gittern mit verschiedenen Perioden oder Orientierungen realisiert werden.
Bezugnehmend auf 9C kann in einer Variante der letzten Ausführungsform die zweite Elektrodenstruktur die Form einer einzelnen kontinuierlichen Elektrode aufweisen, beispielsweise eine geerdete, leitfähige dünne Schicht. Während dies den Herstellungsprozess vereinfacht, beeinflusst diese Ersetzung nicht die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung.
Ein ebenes Gitter, das durch die Elektrodenstruktur mit langgestreckten Fingern induziert wird, erzeugt aus einer ebenen Eingangsphasenfront eine ebene Ausgangsphasenfront. In einigen Fällen ist es jedoch wünschenswert, aus einem kollimierten Strahl eine konvergente Ausgangswelle zu erzeugen, wie im Falle einiger Anwendungen, die ein Fokussieren erfordern. Durch Musterbilden auf einem Satz gekrümmter Elektrodenfinger kann ein schräges oder gerades Gitter mit gekrümmter Brechungsindex-Umrandung in dem Wellenleiter induziert werden. In 14 wird beispielsweise eine Elektrodenstruktur gezeigt, die die Form konzentrischer Ringe aufweist. Mit solchen ringförmigen Elektrodenstrukturen, die auf beiden Seiten der elektro-optischen Struktur angeordnet sind, symmetrisch oder mit einer halben Periodenverschiebung und bei Anwenden verschiedener Potentiale darauf in der oben beschriebenen Weise, kann eine Fresnel-Zonenplatte erhalten werden mit einer Brennweite, die einer Position in eine andere auf der optischen Achse umschaltbar ist.
Bezugnehmend auf die 10 und 11A bis 11D wird ein Beispiel für ein Beugungsgitter zum Modulieren von extern auftreffendem Licht, das nicht in den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche fällt, gezeigt. Eine elektrooptische Struktur S wird bereitgestellt, d.h. dass in dieser Ausführungsform die elektro-optische Struktur ein integraler Bestandteil des Substrats selbst ist. Die ersten und zweiten Elektrodenstrukturen A1, A2 und B1, B2 werden auf gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats befestigt. Die gefingerten Elektroden werden aus einem durchsichtigen leitfähigen Material sowie Indium-Zinn-Oxid (ITO) hergestellt. Das Substrat ist gekennzeichnet durch die Tatsache, dass sein Brechungsindex durch die Konfiguration und Stärke des daran angelegten elektrischen Feldes bestimmt wird. Wenn eine linear polarisierte Lichtwelle, deren Polarisationsrichtung parallel zur Einfallsebene ist, auf der Oberfläche unter einem Winkel θi einfällt, wird die transmittierte Lichtwelle entsprechend der periodischen Brechungsindexverteilung innerhalb des elektro-optischen Substrats, die durch das an die Elektroden A1, A2 und B1, B2 angelegte elektrische Feld induziert wird, gebeugt. Infolgedessen kann das Beugungsgitter mit der an die gefingerten Elektroden angelegten Spannung V₀ verändert werden, was das gebeugte Licht in verschiedene Beugungsordnungen umverteilt. Beispielsweise kann die nullte Ordnung vollständig ausgelöscht werden (siehe 11D). Darüber hinaus können die geraden Ordnungen oder die ungeraden Ordnungen der Beugung selektiv ein- oder ausgeschaltet werden, was bedeutet, dass das Gitter als ein optischer Schalter mit einem hohen An/Aus-Verhältnis verwendet werden kann. Die 11A bis 11D veranschaulichen die simulierten Ergebnisse der Fernfeldbeugung unter verschiedenen Vorspannungen für elektro-optische Substrate von mit Lanthan-modifiziertem Blei-Zirkonat-Titanat (PLZT) 9/65/35 mit einem quadratischen elektro-optischen Effekt. Die horizontalen Achsen werden auf beliebige Raumfrequenzen eingestellt. Dadurch sind nur die relativen Abstände unter den Beugungsordnungen von Bedeutung, und die linke Seite des Beugungsmusters mit symmetrischen negativen Beugungsordnungen wird nicht gezeigt. 11A zeigt die Beugung ohne angelegte Spannung, die den Beitrag von den transparenten ITO-Elektroden zeigt. Durch den Vergleich mit den 11B und 11C ist ersichtlich, dass die ungeraden Beugungsordnungen durch Ein- und Ausschalten der Vorspannung
fein eingestellt werden können.
Der Phasenbeitrag der ITO-Elektroden bildet ein intrinsisches Gitter, das einen Teil des einfallenden Lichts in höhere Ordnungen beugt, so wie das aus der 11A ersichtlich ist, wo das resultierende Beugungsmuster für doppelseitige ITO gefingerte Elektroden mit einer Periode l = 210 μm, Breite a = 105 μm und ITO Dicke von 0,1 μm gezeigt wird. Für einige Anwendungen kann es die äquivalente Transmittanz bzw. Durchlässigkeit (d.h. Lichtausbeute) des Schalters verringern, wenn keine Spannung an das elektro-optische Substrat angelegt wird.
Bezugnehmend auf die 12 und 13A bis 13E werden verschiedene Ausführungsformen eines Beugungsgitters für extern auftreffendes Licht ähnlich zu dem der 10 gezeigt, wobei die gefingerten Elektroden einer Elektrodenstruktur um eine halbe Periode in Bezug auf die gefingerten Elektroden der anderen Elektrodenstruktur verschoben sind. Dieses Positionieren der Elektroden eliminiert das intrinsische Beugen an der Elektrode für normalerweise auftreffende Lichtwellen, weil die Phasenverzögerung an den Elektroden auf einer Seite des Substrats durch die Phasenverzögerung an der Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite kompensiert wird.
Die Dicke des elektro-optischen Stabs ist im wesentlichen eine Wechselwirkungslänge für die transmittierte Lichtwelle. Wenn diese Länge klein ist:
wobei n der Mittelwert des Brechungsindex des Stabs, λ die Wellenlänge des gebeugten Lichts und Λ die Gitterperiode ist. Viele Beugungsordnungen werden erzeugt und eine kleine Selektivität wird gezeigt. Dies ist das so genannte Raman-Nath Beugungsregime. Jedoch treten in dem Bragg-Beugungsregime nur zwei Beugungsordnungen mit hoher Winkel- und spektraler Selektivität auf, wenn die Wechselwirkungslänge lang ist im Vergleich mit nΛ_/(2πλ). Leider fällt für den in der 12 gezeigten Entwurf das Muster des angeregten elektrischen Felds rasch mit dem Abstand von den Elektroden ab. Das Muster ist bei einem Abstand von den Elektroden, der gleich der Periode der Elektrodenstruktur ist, im Wesentlichen verschwunden. Die folgende Ausführungsform in 13A zeigt eine Lösung zu diesem Nachteil; die interaktive Wechselwirkungslänge kann vergrößert werden, in dem die Struktur der 12 mehrere Male wiederholt wird. In 13B bis 13C verbinden die gestrichelten Linien die benachbarten Elektroden mit einer maximalen Potentialdifferenz (2V₀) dazwischen. Diese Linien können eine Vorstellung über die Periodizität der Brechungsindexverteilung für verschiedene Werte der Vorspannung
geben. Die räumliche Periode des induzierten Brechungsindexgitters kann leicht durch Umschalten von
= –2V₀ auf
= –V₀ verdoppelt werden (siehe 13B und 13E). Durch Einstellen von V₀ kann der Mittelwert des Brechungsindex der Vorrichtung variiert werden und dadurch auch seine Selektivität auf die benötigte Wellenlänge fein eingestellt werden. Eine 9/65/35 PLZT Keramik kann ein perfektes elektro-optisches Material für diese Ausführungsform sein. Die Elektroden müssen für das einwirkende Lichtspektrum transparent sein, und eine gemusterte dünne ITO-Schicht könnte ein guter Kandidat für sichtbares und infrarotes Licht sein.
Selbstverständlich könnten vielzählige Veränderungen der oben offenbarten bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Patentansprüche festgelegt wird, abzuweichen.

Claims

Ein elektrisch einstellbares Beugungsgitter mit einer Brechungsindex-Verteilung und einer elektrisch einstellbaren räumlichen Periodizität, umfassend: ein Substrat; eine elektrooptische Struktur, die sich über das Substrat erstreckt, wobei die elektrooptische Struktur einen Wellenleiter mit einer Ausbreitungsachse umfaßt; eine erste und eine zweite Elektrodenstruktur zum Erzeugen eines elektrischen Feldes dazwischen, wobei das elektrische Feld das Beugungsgitter in den Wellenleiter induziert, wobei die erste und zweite Elektrodenstruktur auf gegenüberliegenden Seiten der elektrooptischen Struktur angeordnet sind und jede sich in einer Ebene parallel zu der Ausbreitungsachse des Wellenleiters erstreckt, wobei die erste Elektrodenstruktur einen ersten und einen zweiten Satz gefingert angeordnete Finger umfaßt, ferner umfassend Mittel, die angeordnet sind zum Anlegen eines ersten Potentials V₀ an den ersten Satz Finger und eines Potentials V₀ + ΔV an den zweiten Satz der Finger, und wobei V₀ variabel ist zum Einstellen der Brechungsindex-Verteilung des Beugungsgitters und ΔV variabel ist zum Schalten der räumlichen Periodizität des Gitters zwischen diskreten Werten, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenstruktur einen ersten und einen zweiten Satz ver setzt gefingert angeordneter Finger umfaßt, und dass das Beugungsgitter ferner Mittel umfaßt, die angeordnet sind zum Anlegen eines Potentials –V₀ an den ersten Satz der Finger der zweiten Elektrodenstruktur und eines Potentials –(V₀ + ΔV) an den zweiten Satz der Finger der zweiten Elektrodenstruktur umfaßt.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 1, wobei die erste und zweite Elektrodenstruktur sich erstrecken in übereinander angeordneten Ebenen, die parallel zueinander und zu der elektrooptischen Struktur sind.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 2, wobei der erste und zweite Satz der Finger jeder Elektrodenstruktur auf den beiden Seiten der Ausbreitungsachse jeweils miteinander ausgerichtet sind.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 2, wobei der erste und zweite Satz der Finger jeder Elektrodenstruktur auf den beiden Seiten der Ausbreitungsachse jeweils versetzt zueinander ausgerichtet sind.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 2, das ferner eine erste und eine zweite Pufferschicht umfaßt, wobei die erste und zweite Pufferschicht aus einem isolierenden Material hergestellt ist und sich zwischen dem Wellenleiter und einer entsprechenden der ersten und zweiten Elektrodenstruktur erstreckt.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 2, wobei die elektrooptische Struktur eine elektrooptische Platte umfaßt, wobei der Wellenleiter darin gebildet ist.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 1, wobei die erste und zweite Elektrodenstruktur sich beide in einer gleichen Ebene erstrecken.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 7, wobei: sich ein Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Elektrodenstruktur in deren Ebene erstreckt; und die elektrische Struktur einen in dem Zwischenraum angeordneten elektrooptischen Film, und eine sich entlang des Zwischenraums und in Kontakt mit dem elektrooptischen Film erstreckende optische Faser umfaßt.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 7, wobei: sich ein Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Elektrodenstruktur entlang deren Ebene erstreckt; und wobei die elektrooptische Struktur einen in einem elektrooptischen Material gebildeten, gratigen Wellenleiter umfaßt, wobei der gratige Wellenleiter in dem Zwischenraum angeordnet ist.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 9, ferner umfassend eine erste und zweite Pufferschicht, die sich zwischen der elektrooptischen Struktur und einer entsprechenden einen der ersten und zweiten Elektrodenstruktur erstreckt.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 1, wobei die Finger der ersten und zweiten Elektrodenstruktur geradlinig sind.
Ein Beugungsgitter nach dem Anspruch 1, wobei die Finger der ersten und zweiten Elektrodenstruktur krummlinig sind.