NO813421L - Hybrid optisk forbindelse og dens anvendelse i et sloeyfe interferometer - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen'vedrører en separator for optisk stråling, omfattende minst én integrert hybrid optisk forbindelse med to inngangsbaner (,) og to utgangsbaner (C,D) for transmisjon av lysenergi fra de førstnevnte til de sistnevnte. Forbindelsen omfatter en stjerneformet sammenstilling av tre enkeltmodus optiske bølge-' ledergrener anbragt i et brytende miljø (1) som oppvi-;ser en brytningsindeks mindre enn brytningsindeksen for grenene. Oppfinnelsen kan anvendes på sløyfeinter-:ferometeranordninger og spesielt på gyrometere.

Description

OI pi pfinnelsen vedrører optiske anordninger for ledet transmisjon, som spesielt kan realiseres med integrert optikkJ

Man realiserer en integrert leder ved i et substrat med brytningsindeks nQ å danne et område der brytningsindeksen nj^er større enn nQ. Fordelen med integrerte optiske anordninger sammenlignet med vanlige optiske løsninger, består J i at de ikke krever noen innretting (alignment) , at de ikké. medfører stabilitetsproblemer at de tillater et mindre omfang, at de unngår vibrasjonsproblemer og endelig at de gir mulig-

I ■ . ■ • i

het for å oppnå den beste ydelse ved å tillate .at lyset blir ledet langs hele dets bane. For å kunne lede optiske strå-linger i flere baner, er det av interesse å kunne veksle strålingene fra en leder til en annen.

Det er kjent å realisere disse hybride optiske forbindelser ifølge prinsippet for retningskopleren. Dette er en velger som omfatter to bølgeledere laget av et elektro-optisk materiale og adskilt av et område med brytningsindeks mindre

i ■■ jehn elektro-optiske materiale med jen distansering av størrelsesorden noen mikrometer, slik at ;strålingeri kan overføres fra en leder til en annen. De to

:jalév deert es elberkytrtnisink gsfeinldte, khs voernvdered sk, oi pmlointgsastlet ngrdeetn nibng livr eed ndhrjeetlp

1 ■ ^ iog dermed den del av lysenergien som går over fra den første lieder til den andre. Slike konstruksjoner må være meget;

jgeometrisk nøyaktige. Koplingslengden avhenger nemlig på jkritisk måte av et stort antall parametre, spesielt må avstanden mellom lederne realiseres meget nøyaktig. I l

i i .. ' ;' . ■ Den ledede transmisjonsanordning ifølge oppfinnelsen omfatte1 r to grener av enkeltmodus optiske - bølgeledere som kon-vi er--i

- ! • I i gerer i et nodepunkt der en tredje gren av en enkeltmodus leder begynner. De tre grener har da form av en Y. De to

fføoi rrbstie ndgerlsenee, r og tjdenen er trsoem dje innggraen ngetr jenfoer r dsoem n hfyøbrrstide euotgpatni<g>sk>'e

idet den andre utgang er en intern transmisjonsbane i det omgivende miljø. Denne forbindelse er da en spesielt enkel konfigurasjon av en integrert optisk krets. Den er særlig

anvendt i optiskeinterferometere. Disse omfatter nemlig et visst antall strålebuntseparatorer som kan realiseres ved å I |bri. uke denne h*ybridforbindelse. Dessuten kan den omfatte jfasemodulatorer som så kan integreres i de samme kretser som de nevnte forbindelser.

Formålet med oppfinnelsen er en optisk stråleseparator om-fai ttende m. inst én integrert hybrid forbindelse med to inni-ganger og to utganger, kjennetegnet ved at forbindelsen omfatter en stjerneformet sammenstilling av tre grener avenkeltmodus optiske bølgeledere nabragt i et brytende miljø som oppviser en mindre brytningsindeks enn grenenes, idet jeridene av grenene utgjør de to innganger og den første utgang i .forbindelsen, idet den andre utgang består av en del jav det brytende miljø som forbinder grenenes felles node-: :pvinkt til en utgangsfasett.

jAridre trekk og fordeler med oppfinnelsen vil fremgå av ne-denstående eksempelvis angitte og ikke begrensende beskri-velse og tegningene. .Fig. 1 viser en utformning av oppfinnelsen.

IFig. 2 og fig. 3 viser utformningsvarianter av oppfinnelr i I - ■ ■ ' sen.

|Fig. 4 viser en anvendelse av.oppfinnelsen på et sløyfeih-|terf erome ter.

Fig. 5 viser et sløyfeinterferometer av kjent type.

|Fig. 6 viser en anvendelse av oppfinnelsen på et sløyfein-térferometer.

i

t - ■ ■ . jDen integrerte optiske krets som er gjenstand for oppfinnelsen, består av en lederkonstruksjon som bare omfatter enkeltr

I • ' I

modus ledere. Som fig. 1 viser, omfatter den en forgrening j i<!>form av en Y. Denne kretsen realiseres ut fra et elektro-j

optisk substrat så som en plate av litiumniobat (LiTaO-,) ^ Lyslederne kan fremstilles på slike substrater ved diffusjon av metallioner (henholdsvis titan og niobium),' hvilket tillater økning av den brytningsindeks som oppnås i det område der diffusjonen foregår, og følgelig dannelsen av bølge-lederen. Fremstillingen av denne enhet bruker maskerings-teknikk analog med de maskeringsteknikker som brukes ved fabrikasjon av halvledere. De optiske forbindelser reali--'I ' ! ■ •.

seres ved hjelp av to ledere som kommer fra de to inngangs-

' ' 1 ■ . i punkter 2 og 3, som løper sammen i et nodepunkt for å føres ut i en tredje leder forbundet til utgangspunktet 4.

Anordningens virkemåte er grei, hvis man tar i betraktning den kjenskap man har til forplantning i en forgrening bestå-ende av enkeltmodus ledere. Forgreningen oppfører seg som separator så som en halvt gjennomsiktig skive med to innganger og to utganger. Hvis man for den halvt gjennomsiktige . skive har disse fire baner klart for seg, må man se på skjemaet på fig. 1 for å se at det også eksisterer fire baner for den betraktede forgrening. Foruten de tre viste åpenbare baner, representert av de enkeltmodus ledere A, B og C, finnes der' en fjerde bane D svarende til en bølge som sprer seg i substratet. Denne separatoren kan også betrak-tes som en hybridforbindelse. Hvis nemlig de bølger somj

i • forplantes i A og B ankommer til forgreningens nivå i fase, jeksiterer de lederens G modus, og all energi blir overi |ført i denne lederen. Hvis bølgene derimot er i motfase, tar det seg ut som om man forsøkte å eksitere en antisymme-trisk modus i lederen C (modus av høyere orden), som blir 'brudt i en enkeltmodus leder. Den tilsvarende energi sprer jseg da i substratet langs banen D. Dette fenomen er blitt jbekreftet eksperimentelt. For en hvilken som helst fasefor-Jskyvning mellom de to bølgene som forplanter seg gjennom lederne A og B, blir en del av energien koplet til lederen C, idet den resterende del sprer seg i substratet langs banen

Di De frie ender av de forskjellige optiske baner A, B,jc log 1 D utgjør da to inngangspunkter 2 og ' 3 og to utgangspun!k-ter 4 og 5 i forbindelsen. | HvI is vi topp-mot-bunn forbinder to optiske separatorer av! dej n på fig. 1 beskrevne type, oppnår vi en sammenstillingL som vist på fig. 2. De to separatorene er integrert inn i samme substrat 1. Denne anordning er symmetrisk med hensyn til innganger-utganger (2-3, 6-7). Hvis vi betrakter ini nkommende bølger som forplanter seg i . ledern' e A ' og B, vii<l>

all energi, dersom de er i fase, forplante seg i lederen C.

Når det lys som ledes i denne enkeltmodus leder C kommer frem til forgreningen, blir en del koplet til lederen A'

og resten til lederen B'. Separasjonen av energi, mellom de

I

to i ledere A1 og ' B■ 1 kan justeres en gang for alle ved hjelip åv maskering. Dersom forgreningen er fullstendig symmetrisk!, er separasjonen 50 % - 50 %, og tapene er minimale dersom forgreningsvinkelen er liten. For å oppnå en fordeling forskjellig fra 50 % - 50 %, er det tilstrekkelig å gjøre forgreningen usymmetrisk. Når bølgene i A og B er i mot-f fase, blir det da ikke lenger noen transmisjon i senterle-■ deIren C, men transmisjon i substratet langs banen D.

I

Den beskrevne virkemåte gjelder også i den andre retning; det vil si når inngangslederne er lederne A' og B'.

I

i . - ■.

iVed å legge et metallbelegg på substratets overflate., tjener jda senterlederen C som en polarisator som bare slipper j jigjennom bølger av en enkelt optisk modus, hensyn tatt til polarisasjonen.

Den tidligere beskrevne separator på fig. 1 kan realiseres på f en særlig interessant måte ved å bruke løsningen angit!t<!>på fig. 3. Tre enkeltmodus optiske fibre E, F og G som nu

I ' - I

jtjener som lederne A, B og C på fig. 1, koples innbyrdes| .

•jfor å utgjøre en Y. Koplingen mellom disse fibre kan sær-

lig realiseres ved å slipe endene av disse slik at det blir kontinuitet mellom fibrenes kjerner til å danne en Y. Den fjerde bane D oppnås da ved kopling av et miljø 31 med j hylsen 9 på det optiske fiber. Det er i denne hylsen atJ de1 n tilsvarende transmisjon foregår. ' Brytningsindeksen fiorområdet 31, som her danner en muffe, må da være større enn

! • ■ ■ indeksen for hylsen 9. En detektor 13 tillater oppfanqelse a■ y I det signal . som overføres av banen D. [j

Det er også mulig på samme måte å realisere den på fig. 2 viste anordning ved topp-mot-bunn å kople to på fig. 3 viste separatorer. Ved å bruke fibre av elliptisk form,

vil fibrene tjene som polarisator.

Fig. 5 viser et prinsippskjerna av et sløyfeinterferometer ay kjent type. Dets optiske bane er realisert av enkeltj-

i' , ■ 'I modus optisk fiber, men hoveddelen i dette interferometer består av tradisjonelle optiske elementer.

Sløyfeinngangen er dannet av den halvt gjennomsiktige skive 15. Den innfallende lysbunt 19 som skriver seg fra kilden

10, når frem til skiven 15. Den har først passert den halvt gjennomsiktige skive 14 og modusfilteret 11. Skiven 15 re-flI ekterer en del av den innfallende lyJ sbunt 19 til enden:26 ay et optisk fiber 30 efter fokusering i en linse 16. Skiven 15 sender den andre del til enden 27 av fiberet 30 ■ Iefter fokusering i en linse 17.

i<;>Den første strålebunt 28 passerer interferometersløyfen i den ene retning, mens den andre bunt 29 passerer i motsajtt retning.. De to lysbuntene når så frem til den halvt gjen-I [ ;noi m■ siktige skiven "' 15. ■ .'i

; I Def n første lysbunt 28 overføres i inter f erome terets gren; ' 23,: i og reflekteres delvis i grenen 24. Det gjelder også den!

i andre bunten. To deler av disse buntene interfererer da i

grenene 23 og 24.

Ii; ntferravfæer reanv sen ikkdee. srtreuskiptriv oke og pderett urabv adsejotneker tori egn re1n3 edn et2e4k, teerrte sj ignal er null, mens i ■ grenen 23 er interferensen konstru!k-tiv og signalet er maksimum. j

Det å innføre et modusfilter 11 i inngangsgrenen 23 virker

tal å gjøre interferometeret nøyaktig resiprokt. Det |

! ■ ■ I

giennomløpes av en kontinuerlig bølge i enkelt optisk modus.'

Efter å ha passert interferometerets optiske sløyfe og re-k<p>mbinering ved hjelp av separatorskiven, oppviser den btøk-del av den optiske energi som oppnås ved interferens av de to bølger i interferometerets gren 23, en struktur med kompleks modus. Generelt er projeksjonen av denne energi påj filterets 11 egenmodus, ikke lik null. Denne del blir dem-pet, men fortsetter i samme vel definerte enkeltmodus. I fravær av ulineare fenomener og sikkert i fravær av egentlig ikke-resiproke fenomener, er delen av kontinuerlig energi, i både frem- og tilbakerétning i samme modus, lineært uav-hengig av resten av den optiske energi. Det hele tar seg

i1

ut som om denne rest av energi ikke eksisterte, og de for enkeltmodus nødvendige og tilstrekkelige betingelser for anordningens nøyaktige resiprositet, er tilstrekkelige.

I

For de fleste modusfiltre som man kan realisere, er polarisasjonen av den bølge som passerer filteret en ekstra frihetsgrad, det vil si at filteret i virkeligheten er et tbmodusfilter.

i

Nå1 i r forplantningskonstanten. e' , -' ■intensitetsfordelingen elleIr i tapene i disse to modi adskiller seg tydelig, er dette nok

[til å separere dem. Hvis ikke må den ene modus stoppes av ' jen polarisator..

i Efter å ha passert fiberet i motsatte retninger, blir såle-des de to lysbunter opptatt av interferometerets gren 2 3' | ved hjelp av den halvt gjennomsiktige skive 15. De passerer så atter modusfilteret og polarisatoren 25, og separeres fra den innfallende lysbunt 19 ved hjelp av den halvt gjennomsiktige skive 14, som delvis sender dem til grenen 20 der interferenssignalet blir detektert i detektoren 12.

i i

Der er da to mulige stillinger, for detektoren, i 13 eller i 12.

A ........ J

M

,Hyis man betrakter et forenklet interferometer med hensyn I til utgangsgrenen 24 og detektoren 13, kan man bytte ut separatoren 15, som her består av en halvt gjennomsiktig skive, med den på fig. 1 viste separator.. Man får da den på fig. 4 viste anordning. Eftersom forbindelsene er realisert direkte,har da linsene intet formål. Detektoren 13 er posi-sj! onert mot en av kretsens integrerte fasetter for å mottIa det signal som transmitteres av banen D inne i miljøet.

jHvis man derimot betrakter interferometeret i sin helhet;

i

kan man bytte ut alle de tradisjonelle optiske elementer.

på fig. 5 med den integrerte optiske anordning på fig. 2.

Man oppnår da det optiske interferometer på fig. 6, som .

i

virker efter det tidligere beskrevne prinsipp.

[ ... r

De integrerte optiske forbindelser tjener som lysbuntsepa-|ratorer, som tidligere de halvt gjennomsiktige skiver tjente

•som. Eftersom de optiske fiberlederforbindelser er direkte, jer linsene blitt unødvendige. Eftersom bølgelederne er en-keiltmodus, tjener de da som.modusfiltere. Ved å avsette et metallbelegg på substratets overflate, kan senterlederen også tjene som polarisator, og, vi finner nu helt og.holdent

igjen skjemaet på-fig. 5. ■Dersom det materiale som denne bølgelederkonstruksjon er 'realisert av tillater det, hvis det for eksempel dreier seg om et elektro-optisk materiale, kan man på samme substrat realisere aktive og passive elementer. Det er da mulig å komplettere den i seg selv passive grunnkonstruksjon vedjå tilføye aktive elementer, som for eksempel fasedreiere som kan lette behandlingen av signalet. ■II''-..

Bølgelederne kan for eksempel realiseres i et substrat av Dleirteius mnbrioebddae t vveed lghejes lp slaiv k kat jednt e otpiptnanådr iefnfukesljotmnosdteuks nifokkr .den

anvendte bølgelengde (typisk 3 pm ved A = 0,85 um: GaAs- i i laser) . Man kan for eksempel betrakte krystallaksen i pla-net til den overflate der bølgelederne er realisert, men!

aannI vderne doer rieent tkerryinsgtaer ll emr ed mualkigse. n Epn emrpeegnedt ibkruulkær t kpoå nofviegrurfalastjoe, n n.•

Sentrallederen kan ha en lengde på noen millimeter til flere centimeter (typisk 5 mm). Den totale forgrenings-vi■ nkel mellom lederne.A og B på fig. 1'kan være. ca. 1 O.

Av hensyn til grei tilkopling av kretsen til det enkeltmodus optiske fiber for det første, og til laserkilden og detektoren for det annet, er avstanden mellom lederne på inn-gangsfasettene og utgangsfasettene fra den integrerte op,-tiske krets av størrelsesorden 500 mikrometer. Lengden av

utgangslederne kan være lik 5 mm for eventuelt å tillate realisering av integrerte fasemodulatorer ved å bruke den elektro-optiske effekt i litiumnidbat-substratet ved å påj-'trykke en passende potensialforskjell mellom to elektroder ;anbragt på.hver side av bølgelederen.

Claims (2)

1 .j Separator for optisk stråling omfattende minst én integrert hybridforbindelse med to inngangsbaner (A, B) og to utgangsbaner (C, D), karakterisert ved at forbindelsen omfatter en stjerneformet sammenstilling lav tre enkeltmodus optiske bølgeledergrener anbragt i et bryj-tende miljø (1) som oppviser en brytningsindeks mindre enn 'disse greners brytningsindeks, idet endene av disse grener danner forbindelsens to innganger (2, 3) og den første ut-, jgang (4), idet den annen utgangsbane (5) består av en del av^det brytende miljø (1) som forbinder det felles knute-I punkt for disse grener til en utgangsfasett. .

2. Separator som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter to hybride forbindelse^, ji.det de to første utganger på hver forbindelse er forbundet innbyrdes ved hjelp av en enkeltmodus leder (C), idet denne leder da forbinder de to knutepunkter hvorfra de forskjellige grener av hver forbindelse utgår.

3. Separator som angitt i krav 1, karakterisert ved at det brytende miljø (1) er et ferro-elektrisk materiale. !' 4 .| Separator som angitt i krav 3, karakteri-I j <!> s ,e r t ved at det ferro-elektriske materiale er litiumniobat, idet titan er diffundert i niobatet for å danne lederne.

5. Separator som angitt i hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at elek-|tr^oder er anbragt på hver side av bølgelederne for å tillate modulasjon av lyssignalene.

|6.[ Separator som angitt i hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at over-flaten på det brytende miljø (1) er belagt med et metallbelegg. ' J 7 , Separator som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 6, karakterisert ved at det brytende miljø (1) består av hylsen på de enkeltmodus optiske fibre hvis kjerne danner grenene.

8 . Separator som angitt i krav 7, ' karakterisert ved at enkeltmodus filbrene har elliptisk form. 9■ - . A■ nvendelse på en sløyfeinterferdmeteranordning, omi-fattende en bølgeleder av optisk fiber som i motsatte ret-ni1 nger gjennomløpes av to deler av en optisk stråling ut-[i sendt fra en koherent kilde og transmittert til én for deres i nterferens følsom detektor éfter passasjen av det optiske fiber, og en separator som angitt i krav. 2, k a r a k y terisert ved at de to ender av dette opti■ skeI fiber, nevnte kilde og detektoren henholdsvis er forbundét direkte :til fire grener på separatoren.