DE2421285A1

DE2421285A1 - Integrierter optischer modulator

Info

Publication number: DE2421285A1
Application number: DE2421285A
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Auracher
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1974-05-02
Filing date: 1974-05-02
Publication date: 1975-11-13
Also published as: JPS51112364A; GB1512451A; FR2269727B1; US4048591A; FR2269727A1

Description

Integrierter optischer Modulator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten optischen Modulator zur Modulation von optischen Signalen in dielektrischen Wellenleitern, bestehend aus einem Substrat mit einem Brechungsindex η·*, auf dessen Oberfläche mindestens zwei parallel verlaufende Wellenleiter mit den Brechungsindice s n* und n₂ angeordnet sind» neben denen beidseitig auf der Oberfläche"des Substrates Elektroden parallel zu den Wellenleitern angeordnet sind. Mindestens einer der beiden Wellenleiter besteht aus elektrooptischem Material.

Werden zwei oder mehrere, beispielsweise dielektrische, Monomode-Wellenleiter über eine ausreichend lange Strecke ge-koppelt, dann findet ein periodischer Austausch der Energie zwischen den Wellenleitern statt. Im Fall zweier gekoppelter Wellenleiter tritt die stärkste Wechselwirkung zwischen den beiden Wellenleitern dann auf, wenn die Phasengeschwindigkeiten und die Feldverteilungen in den- gekoppelten Wellenleitern angepaßt sind und die Koppelstruktur verlustfrei ist. Wird am Anfang der gekoppelten Strecke alle Energie in einem Wellenleiter geführt, so wird ein Teil der Energie, die unter den oben genannten optimalen Bedingungen die gesamte Energie ist, in periodischen Abständen auf den zweiten Wellenleiter übergekoppelt bzw. wieder auf den ersten-Wellenleiter zurückgeführt.

Stellt man einen oder beide Wellenleiter aus elektrooptischem Material her, dann kann man mit dieser Struktur einen elektrooptischen Amplitudenmodulator (Schalter) realisieren. Dazu

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wird die Koppellänge so bemessen, daß ohne angelegtes elektrisches Feld die Energie vollständig auf den zweiten Wellenleiter übergekoppelt wird» Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an einen oder beide Wellenleiter können dann die Phasengeschwindigkeiten in den zwei Wellenleitern verschieden gemacht und dadurch eine Modulation der übergekoppelten Energie erreicht werden. Die übergekoppelte Energie ist gleich Null, wenn die beiden Wellenleiter über die gesamte Koppellänge einen Phasenunterschied von 180° aufweisen.

Eine praktische Ausführung eines derartigen Modulators ist in der Zeitschrift "Journal of Appl. Physics", Bd. 44, Juli 1973, auf den Seiten 3257-3262 beschrieben. Hierbei liegen die beiden Wellenleiter nebeneinander und werden gleichzeitig moduliert. Die Koppelstärke wird dabei durch den Abstand zwischen den beiden Wellenleitern und die Brechzahldifferenz zwischen dem Kern und das den Kern umgebenden Materials des Wellenleiters bestimmt. Qie zulässigen Toleranzen für den Abstand der beiden Wellenleiter sind jedoch äußerst knapp. Beispielsweise kann eine Abweichung des Abstandes um 1000 S bei einer Koppellänge von 4 mm bereits zu einer Änderung der übergekoppelten Energie um 2096 füiien.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen integrierten optischen Modulator der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die erforderlichen Toleranzen leichter eingehalten werden, so daß praktisch keine änderung der übergekoppelten Energie aufgrund von Toleranzschwankungen auftreten können.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Wellenleiter übereinander angeordnet sind und daß zwischen den Wellenleitern ein dielektrischer verlustarmer Film mit einem Brechungsindex n, < n^, n~ angeordnet ist.

Bei Verwendung nur zweier Wellenleiter stimmen die Ausbreitungs-

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konstanten der Wellenleiter vorzugsweise überein, während bei Anlegen eines elektrischen Feldes die Ausbreitungskonstante des oberen Wellenleiters sich nicht oder in umgekehrter Richtung wie die des unteren Wellenleiters ändert.

Vorteilhafterweise sind bei Verwendung von drei Wellenleitern zwei Wellenleiter parallel nebeneinander aber im Abstand voneinander über oder unter dem dritten Wellenleiter angeordnet, wobei die Breite des dritten Wellenleiters etwa gleich der Summe der Breiten der beiden anderen Wellenleiter und des Abstandes zwischen ihnen ist, während die Breite des dielektrischen Filmes gleich der Breite des dritten Wellenleiters ist.

Vorteilhafterweise bestehen die beiden nebeneinander angeordneten Wellenleiter aus dem gleichen elektrooptischen Material.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigen: die Figuren 1,2,. 3,4 . erfindungsgemäße Modulatoren mit je zwei Wellenleitern und

die Figuren .5 und 6 einen erfindungsgemäßen Modulator mit jeweils drei Wellenleitern.

Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Koppelstärke durch die Dicke eines dielektrischen verlustarmen Koppelfilmes 5 festgelegt. Mit 1 ist jeweils ein Substrat bezeichnet, mit einem Brechungsindex n, und in Qen Fällen der Figuren 1 und 2 sind mit 2 und 3 jeweils zwei Wellenleiter bezeichnet, beispielsweise rechteckförmige Wellenleiter. Diese beiden Wellenleiter sind jeweils übereinander angeordnet, wobei der untere Wellenleiter 3 entweder im Substrat 1 oder auf der Oberfläche des Substrates angeordnet sein kann. Der Brechungsindex des Wellenleiters 3 ist mit n₂ bezeichnet und der Brechungsindex des Wellenleiters 2 mit n,.. Parallel zu den Wellenleitern

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sind auf der Oberfläche des Substrates 1 beidseitig Elektroden angeordnet.

Erfindungsgemäß sind nun die Wellenleiter 2 und 3 durch einen dünnen Film 5 mit niedrigem Brechungsindex getrennt. Da sich Filmdicken bis zu etwa 100 % Toleranz reproduzieren lassen, können die geforderten engen Toleranzen leichter eingehalten werden. Die Wellenleiter 3 der Figuren 1 und 2 bestehen aus elektro optischem Material, dessen Ausbreitungskonstante durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Elektroden 4 moduliert werden kann. Die Wellenleiter 2 dagegen sind so ausgelegt, daß ihre Ausbreitungskonstanten durch das angelegte elektrische Feld nicht (oder nur geringfügig) oder im umgekehrten Sinne als im Wellenleiter 3 veränderbar sind. Die Ausbreitungskonstante muß aber etwa mit der des anderen Wellenleiters übereinstimmen.

Ist die optische Achse des oberen Wellenleiters 2, beispielsweise die c-Achse eines LiNbO,-Kristalls, entgegengesetzt zur optischen Achse des unteren Wellenleiters 3 gerichtet, so läßt sich ein Modulator aufbauen, dessen Länge nur halb so groß ist, wie diejenige eines Modulators, bei dem nur ein Wellenleiter aus elektrooptischen! Material besteht. Des weiteren kann bei Verwendung des gleichen elektrooptischen MaterSLs für beide Wellenleiter 2, 3 auch eine weitgehende Temperaturkompensation des Modulators erzielt werden.

Da es aber schwierig ist, die richtige Kristallorientierung des elektrooptischen Materials in beiden Wellenleitern zu verwirklichen, sowie die Ausbreitungskonstanten bei Verwendung zweier verschiedener Materialien hinreichend genau anzupassen, kann der Modulator gemäß dem in den Figuren 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel aus drei Wellenleitern 2, 3, 6 bestehen, die über einen Koppelfilm 5 von niedrigem Brechungsindex ge-

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koppelt sind. Der Brechungsindex n^ des dielektrischen Filmes ist dabei in jedem Fall kleiner als die Brechungsindices η,., ng der Wellenleiter. Die Koppelstärke wird, wie bei den Ausführungsbeispielen nach Figuren 1 , 2, 34,von der Dicke des dielektrischen Filmes 5 bestimmt, wobei der Wellenleiter 6 nur zur Übertragung der aus dem Wellenleiter 2 ausgekoppelten Energie auf den Wellenleiter 3 dient. Die Wellenleiter 2 und 3 können aus dem gleichen elektrooptischen Material gleicher Orientierung hergestellt sein, während der Wellenleiter 6 nicht aus elektrooptischem Material zu bestehen braucht. Der Abstand zwischen den Wellenleitern 2 und 3 wird so groß gewählt, daß die direkte Kopplung zwischen den Wellenleitern 2 und 3 (ohne den Wellenleiter 6) vernachlässigbar klein ist. Die Wellenleiter 2 und sind am günstigsten identisch, d.h. sie können in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Werden drei Wellenleiter 2, 3 und 6 mit annähernd gleichen Ausbreitungskonstanten gekoppelt, dann findet ein periodischer Austausch der Energie zwischen allen drei Wellenleitern statt. Es läßt sich zeigen, daß für einen relativ großen Bereich der Ausbreitungskonstanten des Koppelwellenleiters 6 eine starke Überkopplung der Energie vom Wellenleiter 2 auf den Wellenleiter 3 stattfindet, so daß die Dimensionierung des Wellenleiters 6 nicht so kritisch ist. Seine Breite entspricht aber in jedem Fall etwa der Summe der Breiten der beiden Wellenleiter 2 und 3 und des Abstandes

zwischen ihnen. Mindestens die gleiche Breite weist auch der zwischen den Wellenleitern angeordnete dielektrische Film 5 auf.

Der erfindungsgemäße Modulator weist wegen der Symmetrie eine gute Temperaturkompensation auf und hat noch den Vorteil, daß man die Koppellänge nachträglich durch Verlängern oder Verkürzen des Koppelwellenleiters 6 verändern kann.

4 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Integrierter optischer Modulator zur Modulation von optischen Signalen in dielektrischen Wellenleitern, bestehend aus einem Substrat mit einem Brechungsindex n,, auf dessen Oberfläche mindestens zwei parallel verlaufende Wellenleiter mit den Brechungsindices n^ und n₂, von denen mindestens einer aus elektrooptischem Material besteht, angeordnet sind, neben denen beidseitig auf der Oberfläche des Substrates Elektroden parallel zu den Wellenleitern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Wellenleiter übereinander angeordnet sind und daß zwischen den Wellenleitern ein dielektrischer verlustarmer Film mit einem Brechungsindex n^^· n., n₂ angeordnet 4-st.
2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei Verwendung nur zweier Wellenleiter die Ausbreitungskonstanten der Wellenleiter übereinstimmen und daß bei Anlegen eines elektrischen Feldes die Ausbreitungskonstante des oberen Wellenleiters sich nicht oder in umgekehrter Richtung wie die des unteren Wellenleiters ändert.
3· Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzei c h n e t , daß bei Verwendung von drei Wellenleitern zwei Wellenleiter parallel nebeneinander aber im Abstand voneinender über oder unter dem dritten Wellenleiter angeordnet sind, wobei die Breite des dritten Wellenleiters etwa gleich der Summe der Breiten der beiden anderen Wellenleiter und des Abstandes zwischen ihnen ist und daß die Breite des dielektrischen Films mindestens gleich der Breite des dritten Wellenleiters ist.

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4. Modulator nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet , daß die beiden nebeneinander angeordneten Wellenleiter aus dem gleichen elektrooptischen Material gleicher Orientierung bestehen·

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