DE69116014T2

DE69116014T2 - Optischer Wellenleiterschalter für zwei Wellenlängen

Info

Publication number: DE69116014T2
Application number: DE69116014T
Authority: DE
Inventors: Yasuhisa Tanisawa
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-07-06
Filing date: 1991-07-08
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2011-07-09
Also published as: DE69116014D1; EP0466430A1; EP0466430B1; US5148507A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine optische Wellenleitervorrichtung und insbesondere eine optische Wellenleitervorrichtung, die als optischer Schalter zum selektiven Schalten von Lichtsignalen mit unterschiedlichen Wellenlängen dient.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine optische Wellenleitervorrichtung ist eine Vorrichtung zum Modulieren der Lichtphase oder -stärke oder zum Schalten des optischen Lichtwegs durch Ändern der Brechzahl eines Wellenleiters in ihr. In einer solchen optischen Wellenleitervorrichtung ist ein Wellenleiter mit hoher Brechzahl in einem Ferroelektrikum oder Halbleitersubstrat ausgebildet, um durch ihn übertragenes Licht einzuschließen, und Elektroden zum Anlegen einer Spannung sind auf dem Wellenleiter oder in seiner Umgebung ausgebildet. Im Betrieb wird eine vorbestimmte Spannung an den Elektroden angelegt, um die Brechzahl des Wellenleiters so zu ändern, daß das durch ihn übertragene Licht in der Phase oder Stärke moduliert wird. Auf die gleiche Weise wird ein optischer Weg zwischen mehreren Wellenleitern umgeschaltet.
Eine Art der herkömmlichen optischen Wellenleitervorrichtung weist auf: ein aus Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) bestehendes Substrat, das ein ferroelektrisches Material mit starken elektro-optischem Effekten ist, einen ersten und zweiten Wellenleiter, die aus im Substrat ausgebildeten Ti-diffundierten Bereichen bestehen, und eine erste und zweite Elektrode, die jeweils oberhalb der Wellenleiter über einer Isolierung ausgebildet sind. Der erste und zweite Wellenleiter haben Parallelabschnitte mit vorbestimmter Länge, die nahe beieinander liegen und durch eine Lücke getrennt sind.
Liegt im Betrieb keine Spannung über den Elektroden an, kommt es zu einer sogenannten Modenkopplung zwischen den nahen Abschnitten der beiden Wellenleiter, so daß an den nahen Abschnitten ein gewisser Anteil eines Lichtsignals vom ersten Wellenleiter zum zweiten Wellenleiter und ein gewisser Anteil eines Lichtsignals vom zweiten Wellenleiter zum ersten Wellenleiter übergeht. Bei entsprechend ausgewählter Länge der nahen Abschnitte der Wellenleiter geht fast 100 % des Lichts von einem Wellenleiter zum anderen an ihren nahen Abschnitten über. Ein solcher Zustand ist im folgenden als Übergangszustand definiert.
Beim Anlegen einer vorbestimmten Spannung an den Elektroden wird ein elektrisches Feld erzeugt, so daß sich die Brechzahl des Substrats infolge der elektro-optischen Effekte des Substrats sowie der Koppelzustand der nahen Abschnitte der Wellenleiter ändern. Bei entsprechender Auswahl der so angelegten Spannung kommt es zu keiner Modenkopplung, so daß zum ersten und zweiten Wellenleiter geführtes Licht die jeweiligen Wellenleiter durchläuft. Im folgenden ist ein solcher Zustand als Durchlauf- oder Sperrzustand definiert.
In der herkömmlichen optischen Wellenleitervorrichtung besteht jedoch ein Nachteil darin, daß ihr Betriebszustand instabil ist und sich je nach Polarisation des zugeführten Lichts ändert. Dies ist ein Hindernis für die Entwicklung optischer Schalter.
Eine Lösung zum Aufbau eines optischen Richtungskopplerschalters, der unabhängig von der Polarisationsmode des zu schaltenden Lichts ist, wird in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0436346A beschrieben, die eine ältere, nicht vorveröffentlichte Anmeldung unter Benennung von Deutschland, Frankreich und Großbritannien ist. Diese Anmeldung beschreibt einen Schalter zum Schalten von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge, der einen ersten, zweiten und dritten Wellenleiter aufweist, die auf einem Substrat ausgebildet sind. Die Weilenleiter haben benachbarte Wellenleiterabschnitte, die einen ersten und zweiten optischen Richtungskopplerschalter ausbilden und den ersten und zweiten Wellenleiter bzw. den zweiten und dritten Wellenleiter koppeln. Die Wechselwirkungslänge des ersten Schalters ist etwas größer als die Optimallänge zum Schalten von Licht der vorbestimmten Wellenlänge, und die Wechselwirkungslänge des zweiten Schalters ist etwas kleiner als diese Optimallänge. Über Elektroden können Steuerspannungen an den Schaltern angelegt werden, um einen ersten und zweiten Zustand der Vorrichtung herzustellen, in denen polarisiertes Licht der vorbestimmten Wellenlänge über die Vorrichtung durch die beiden Schalter mit höherem bzw. niedrigereia Übertragungswirkungsgrad übertragen wird, wobei im ersten Zustand der Übertragungswirkungsgrad im wesentlichen unabhängig vom Polarisationseigenzustand des Lichts ist.
Die in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0436346A speziell beschriebene Vorrichtung dient zur Verwendung mit Licht von 1300 nm Wellenlänge, wobei jedoch infolge ihres Aufbaus unter Verwendung von getaperten Richtungskopplern mit Wechselwirkungslängen, die etwas größer bzw. etwas kleiner als eine Optimallänge sind, zum Schalten von Licht dieser Wellenlänge Vorspannungen an den Elektroden der Schalter angelegt werden können, um Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge im Bereich von 1290 nm bis 1310 nm akzeptabel schalten zu können.
Im folgenden wird ein zweiter optischer Richtungskopplerschalter erläutert, der unabhängig von der Lichtpolarisation ist. Im optischen Richtungskopplerschalter wird die Dichte eines Ti-diffundierten Wellenleiterbereichs so gesteuert, daß sie den gleichen Wert über eine vollständige Koppellänge des Schalters in der TE-Mode sowie der TM-Mode hat, indem eine Dicke einer Ti-Schicht eingestellt wird, die auf ein Substrat vor der Ti-Diffusion aufgebracht wird.
Entwickelt wurde ein optischer Schalter mit stabiler Betriebsleistung unabhängig von der Polarisation von Licht mit 1,3 um Wellenlänge. Andererseits läßt sich theoretisch die Polarisationsunabhängigkeit eines Schalters realisieren, bei dem die vollständige Koppellänge in der TE-Mode und der TM- Mode für Licht mit 1,55 um Wellenlänge gleichwertig ist, indem die Dicke der Ti-Schicht eingestellt wird.
Optische Einschlußbedingungen im Wellenleiter unterscheiden sich jedoch für Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen bei gleicher Ti-Dichte des Wellenleiters, so daß sich Herstellungsbedingungen für einen optischen Schalter, bei dem die vollständige Koppellänge in der TE-Mode und der TM-Mode gleichwertig ist, für Licht mit Wellenlängen von 1,3 um und 1,55 um unterscheiden. Daher ist es schwierig, im gleichen Substrat und durch das gleiche Herstellungsverfahren optische Schalter auszubilden, und zwar einen für Licht mit 1,3 um Wellenlängen und den anderen für Licht mit 1,55 um Wellenlänge.
Daher weist ein herkömmlicher optischer Schalter ein erstes Schaltelement für 1,3-um-Licht und ein zweites Schaltelement für l,55-um-Licht auf, die jeweils in unterschiedlichen Substraten ausgebildet sind. Nachteilig bei einem solchen optischen Schalter sind hohe Herstellungskosten, da die Schaltelemente in unterschiedlichen Substraten ausgebildet werden müssen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung sieht eine optische Wellenleitervorrichtung gemäß der Definition im beigefügten selbständigen Anspruch vor, auf den nunmehr bezug genommen werden sollte. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Somit kann die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform eine optische Wellenleitervorrichtung vorsehen, in der optische Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen selektiv geschaltet werden, die eine geringe Größe hat und kostengünstig ist.
Vorteilhaft kann die optische Wellenleitervorrichtung der Erfindung mehrere optische Richtungskopplerschalter auf dem Substrat aufweisen, von denen mindestens ein erster und zweiter Schalter unabhängig von einer Lichtpolarisation mit einer ersten bzw. zweiten Wellenlänge arbeiten. Somit können mehr als zwei Schalter insgesamt auf dem Substrat vorgesehen sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im folgenden wird die Erfindung näher anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines herkömmlichen Richtungskoppler-Schaltelements;
Fig. 2 eine teilweise Querschnittansicht des herkömmlichen Richtungskoppler-Schaltelements an einer Linie A-A in Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung einer herkömmlichen optischen Wellenleitervorrichtung für ein optisches Signal mit einer Wellenlänge λ&sub1;;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung einer herkömmlichen optischen Wellenleitervorrichtung für ein optisches Signal mit einer Wellenlänge λ&sub2;;
Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines OTDR, in dem die herkömmlichen optischen Wellenleitervorrichtungen von Fig. 4 und 5 verwendet sind;
Fig. 6 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung einer optischen Wellenleitervorrichtung in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Dicke der Ti-Schicht und der vollständigen Koppellänge in der TE- und TM-Mode in einem Richtungskoppler- Schaltelement der optischen Wellenleitervorrichtung für ein optisches Signal von 1,3 um Wellenlänge;
Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Dicke der Ti-Schicht und der vollständigen Koppellänge in der TE- und TM-Mode in einem Richtungskoppler- Schaltelement der optischen Wellenleitervorrichtung für ein optisches Signal von 1,55 um Wellenlänge;
Fig. 9 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Breite des Wellenleiters und der Dicke der Ti- Schicht des Richtungskoppler-Schaltelements unter der Bedingung, daß die vollständigen Koppellängen in der TE- und der TM-Mode gleich sind;
Fig. 10 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Schaltkenngrößen der optischen Wellenleitervorrichtung bei Wellenlängen von 1,3 um und 1,55 um in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 11 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines OTDR, in dem die optische Wellenleitervorrichtung von Fig. 6 verwendet ist;
Fig. 12 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung einer optischen Wellenleitervorrichtung in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 13 ein Schaltdiagramm eines optischen Wellenleiterschalters für Wellenlängen von 1,3 um und 1,55 um;
Fig. 14 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Schaltkenngrößen des optischen Wellenleiterschalters für Wellenlängen von 1,3 um und 1,55 um; und
Fig. 15 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines OTDR, in dem die optische Wellenleitervorrichtung von Fig. 12 verwendet ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Vor der Beschreibung einer optischen Wellenleitervorrichtung in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden zunächst das herkömmliche Richtungskoppler-Schaltelement und die herkömmliche optische Wellenleitervorrichtung gemäß der vorstehenden Beschreibung anhand von Fig. 1 bis 5 erläutert.
Das herkömmliche Richtungskoppler-Schaltelement wird anhand von Fig. 1 und 2 erläutert.
Das herkömmliche Richtungskoppler-Schaltelement weist auf: ein Substrat 1, das aus LiNbO&sub3; mit relativ großen elektro-optischen Effekten unter ferroelektrischen Materialien besteht, einen ersten und zweiten Wellenleiter 2 und 3, die aus Ti-diffundierten Bereichen bestehen, die im Substrat 1 in der Umgebung seiner Oberfläche ausgebildet sind, eine SiO&sub2;- Pufferschicht 4, die die Oberfläche des Substrats 1 bedeckt, und eine erste und zweite Elektrode 5 und 6 aus Metall, die über der SiO&sub2;-Pufferschicht 4 oberhalb der Wellenleiter 2 bzw. 3 ausgebildet sind. Der erste und zweite Wellenleiter 2 und 3 haben parallele Abschnitt mit einer vorbestimmten Länge, die nahe beieinander liegen und durch eine vorbestimmte Lücke G getrennt sind.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung des Richtungskoppler-Schaltelements erläutert. Zunächst wird eine Ti- Schicht auf dem Substrat einer Scheibe ausgebildet, und anschließend wird die Ti-Schicht so strukturiert, daß sie das Muster der Wellenleiter aufweist. Danach wird das Substrat erwärmt und auf einer hohen Temperatur von etwa 1000 ºC einige Stunden gehalten, um Ti in das Substrat zu diffundieren und die Wellenleiter darin auszubilden. Danach wird die SiO&sub2;- Pufferschicht ausgebildet, um die Oberfläche des Substrats zu bedecken. Abschließend werden die Elektroden über der SiO&sub2;- Pufferschicht oberhalb der Wellenleiter ausgebildet.
Die so hergestellte Scheibe wird in mehrere Chips geschnitten. Jeder Chip wird an Facetten poliert. Anschließend wird der Chip mit Lichtwellenleitern (LWL) als Richtungskoppler-Schaltelement verbunden, und die optischen Achsen des Chips und der LWL werden so eingestellt, daß sie zueinander ausgerichtet sind. Danach wird der Chip in einem Gehäuse angebracht. Abschließend werden Elektrodenkontaktflecke des Chips und im Gehäuse vorgesehene Signalanschlüsse miteinander durch Bonden miteinander verbunden.
Liegt im Betrieb keine Spannung an den Elektroden 5 und 6 an, kommt es zur Modenkopplung zwischen den beiden Wellenleitern 2 und 3 an den nahen Abschnitten, so daß ein gewisser Anteil von Licht, das zu einem ersten Eingangsanschluß 2a des ersten Wellenleiters 2 geführt wird, vom ersten Wellenleiter 2 zum zweiten Wellenleiter 3 übergeht und vom zweiten Ausgangsanschluß 3b des zweiten Wellenleiters 3 ausgegeben wird, während andererseits ein gewisser Anteil von Licht, das zu einem zweiten Eingangsanschluß 3a des zweiten Wellenleiters 3 geführt wird, vom zweiten Wellenleiter 3 zum ersten Wellenleiter 2 an den nahen Abschnitten übergeht und vom ersten Ausgangsanschluß 2b des ersten Wellenleiters 2 ausgegeben wird. Bei entsprechender Auswahl der Länge der nahen Abschnitte der Wellenleiter 2 und 3 durch Einstellen der Herstellungsbedingungen für den optischen Richtungskopplerschalter geht nahezu 100 % des Lichts von einem Wellenleiter zum anderen an ihren nahen Abschnitten über (Übergangszustand).
Liegt eine vorbestimmte Spannung an den Elektroden 5 und 6 an, wobei der ersten Elektrode 5 ein hoher Pegel zugeführt wird, während die zweite Elektrode 6 auf Massepegel (GND) gehalten wird, kommt es zur Erzeugung eines elektrischen Felds in senkrechter Richtung zu den Achsen der Wellenleiter 5 und 6 gemäß Fig. 2, so daß sich die Brechzahl des Substrats 1 infolge der elektro-optischen Effekte des Substrats 1 ändert und es zur Änderung des Koppelzustands der nahen Abschnitte der Wellenleiter 2 und 3 kommt. Bei entsprechender Auswahl der so angelegten Spannung tritt keine Modenkopplung auf, so daß zum ersten Eingangsanschluß 2a geführtes Licht vom ersten Ausgangsanschluß 2b ausgegeben wird und zum zweiten Eingangsanschluß 3a geführtes Licht vom zweiten Ausgangsanschluß 3b ausgegeben wird (Durchlauf- oder Sperrzustand).
Eine solche optische Wellenleitervorrichtung wurde für einen optischen Matrixschalter in einem optischen Vermittlungssystem oder einen optischen Schalter zum Umschalten eines optischen Wegs in einem optischen Impulsreflektometer (OTDR) entwickelt, da die vorstehend beschriebene Schaltfunktion auf dem Substrat 1 in der optischen Wellenleitervorrichtung integriert ist. Erwartet wird ferner, daß die optische Wellenleitervorrichtung als externer Modulator für die optische Massenkommunikation realisiert werden kann.
In der herkömmlichen optischen Wellenleitervorrichtung besteht jedoch ein Nachteil darin, daß ihr Betriebszustand gegenüber der Polarisation von zugeführtem Licht instabil ist.
Die vorläufige japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 1-197724 (veröffentlicht am 9. Juli 1989) und-ein Bericht zu "Low-drive voltage and low-loss polarization-independent LiNbO&sub3; optical waveguide switches", Electronic Letters, Band 23, Nr. 21, 8. Oktober 1987, beschreiben einen optischen Richtungkopplerschalter, der unabhängig von der Lichtpolarisation ist. Im optischen Richtungskopplerschalter wird die Ti-Dichte eines Wellenleiterbereichs nach der Diffusion durch Einstellen der Dicke einer Ti-Schicht vor der Diffusion gesteuert, um so den gleichen Wert für die vollständige Koppellänge des Schalters in der TE-Mode und der TM-Mode zu erreichen. Entwickelt wurde ein optischer Schalter mit stabiler Betriebsleistung unabhängig von der Polarisation von Licht mit 1,3 um Wellenlänge.
Bei Licht mit 1,55 um Wellenlänge (die Vorteile hat, z. B. einen geringen Übertragungsverlust) besteht andererseits die Forderung nach einem optischen Schalter oder einem optischen Modulator für Licht mit 1,55 um Wellenlänge. Theoretisch kann die Polarisationsunabhängigkeit des Schalters realisiert werden, bei dem die vollständige Koppellänge in der TE-Mode und der TM-Mode gleichwertig ist, indem die Dicke der Ti-Schicht des Wellenleiters vor der Diffusion eingestellt wird.
Optische Einschlußbedingungen im Wellenleiter unterscheiden sich jedoch für Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen bei gleicher Ti-Dichte des Wellenleiters, so daß sich die Herstellungsbedingungen eines optischen Schalters, in dem die vollständige Koppellänge in der TE-Mode und der TM-Mode gleichwertig ist, für Licht mit Wellenlängen von 1,3 um und 1,55 um unterscheiden. Daher ist es schwierig, im gleichen Substrat und durch das gleiche Herstellungsverfahren optische Schalter auszubilden, und zwar einen für Licht mit 1,3 um Wellenlänge und den anderen für Licht mit 1,55 um Wellenlänge.
Nachstehend wird der herkömmliche optische Schalter anhand von Fig. 3 und 4 erläutert. In Fig. 3 weist ein erster optischer Schalter 7 für 1,3-um-Licht zwei in Reihe verbundene Schaltelemente 7b und 7c auf, die in einem Substrat 7a ausgebildet sind. Die Schaltelemente 7b und 7c haben eine vollständige Koppellänge von 19 mm in der TE- und der TM- Mode, wobei die Herstellungsbedingungen so sind, daß die Dicke der zur Ausbildung der Wellenleiter verwendeten Ti- Schicht 470 Å vor der Diffusion beträgt, das Diffusionsverfahren 8 Stunden bei 1050 ºC durchgeführt wird, die Breite der Wellenleiter 9 um und die Lücke zwischen den Wellenleitern 9 um beträgt.
Andererseits weist gemäß Fig. 4 ein zweiter optischer Schalter 10 für Licht mit 1,55 um Wellenlänge zwei in Reihe verbundene Schaltelemente 10b und 10c auf, die in einem Substrat 10a ausgebildet sind. Die Schaltelemente 10b und 10c haben eine vollständige Koppellänge von 20 mm in der TE- und der TM-Mode, wobei die Herstellungsbedingungen so sind, daß die Dicke der zur Ausbildung der Wellenleiter verwendeten Ti- Schicht 500 Å vor der Diffusion, die Breite der Wellenleiter 10 um und die Lücke zwischen den Wellenleitern 8 um beträgt. Die Verfahrensbedingungen für die Diffusion sind mit denen des ersten optischen Schalters identisch.
Ein OTDR unter Verwendung eines zuvor beschriebenen elektro-optischen Schalters ist in "Low crosstalk and polarization independent Ti:LiNbO3 optical waveguide switch for OTDR", Integrated and Guided-Wave Optics, 1988 Technical Digest Series, Band 5, 28. bis 30. März 1988, beschrieben. Das OTDR zur optischen Messung ist erforderlich, um sowohl 1,3-um- als auch 1,55-um-Licht messen zu können, da sich der in der optischen Kommunikation zu verwendende Lichtwellenlängenbereich verbreitert.
Gemäß Fig. 5 weist das OTDR einen ersten und zweiten optischen Schalter 7 und 10 auf. Ein Eingang eines optischen Teilers 13, der Licht in zwei Lichtsignale mit unterschiedlichen Wellenlängen aufteilt, ist mit einem LWL 14 verbunden, durch den Licht mit einer Wellenlänge von λ1 (= 1,3 um) oder λ&sub2; (= 1,55 um) übertragen wird. Zwei Ausgänge des optischen Teilers 13 sind mit einem ersten und zweiten Eingangs-LWL 8 und 11 verbunden. Der erste Eingangs-LWL 8 führt zu einem Eingang des ersten optischen Schalters 7, der an einem Ausgang mit einem ersten Ausgangs-LWL 9 verbunden ist, der am anderen Ende mit einer ersten Fotodiode 15 verbunden ist. Der zweite Eingangs-LWL 11 führt zu einem Eingang des zweiten optischen Schalters 10, der an einem Ausgang mit einem zweiten Ausgangs-LWL 12 verbunden ist, der am anderen Ende mit einer zweiten Fotodiode 16 verbunden ist.
Im Betrieb wird Licht einer Wellenlänge λ&sub1; (= 1,3 um) oder Licht einer Wellenlänge λ&sub2; (= 1,55 um) von einer (nicht gezeigten) Laserdiode abgestrahlt, um über den LWL 14 übertragen zu werden. Das Licht wird im optischen Teiler 13 aufgeteilt, wobei das Licht der Wellenlänge X&sub1; zum ersten Eingangs-LWL 8 geführt wird, den ersten optischen Schalter 7 passiert und anschließend zur ersten Fotodiode 15 über den ersten Ausgangs-LWL 9 geführt wird, während das Licht der Wellenlänge λ&sub2; zum zweiten Eingangs-LWL 11 geführt wird, den zweiten optischen Schalter 10 passiert und anschließend zur zweiten Fotodiode 16 über den zweiten Ausgangs-LWL 12 geführt wird.
Im folgenden wird eine optische Wellenleitervorrichtung für ein Zwei-Wellenlängen-ODTR für Licht mit zwei Wellenlängen λ&sub1; (= 1,3 um) und λ&sub2; (= 1,55 um) gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erläutert.
In Fig. 6 weist die optische Wellenleitervorrichtung 20 ein erstes bis viertes Schaltelement 22 bis 25 auf, die in einem aus Lithiumniobat bestehenden Substrat 21 ausgebildet sind. Zwei Schaltelementepaare sind parallel angeordnet, wobei ein Paar aus dem ersten und zweiten Schaltelement 22 und 23 besteht, die in Reihe verbunden sind und für Licht der Wellenlänge λ&sub1; (= 1,3 um) arbeiten, und das andere Paar aus dem dritten und vierten Schaltelement 24 und 25 besteht, die in Reihe verbunden sind und für Licht der Wellenlänge λ&sub2; (= 1,55 um) arbeiten, um die Löschrate zu erhöhen. Vorgesehen ist ein Eingangs-LWL-Feld 28, in dem ein erster und zweiter Eingangs-LWL 26 und 27 mit dem ersten bzw. dritten Schaltelement 22 und 24 verbunden sind. Vorgesehen ist ein Ausgangs- LWL-Feld 31, in dem ein erster und zweiter Ausgangs-LWL 29 und 30 mit dem zweiten bzw. vierten Schaltelement 23 und 25 verbunden sind. Beide Facetten des Substrats 21 sind poliert und an den Eingangs- bzw. Ausgangs-LWL-Feldern 28 und 31 befestigt, wobei die Achsen der LWL so eingestellt sind, daß sie senkrecht zu den Facettenebenen des Substrats 21 verlaufen.
Die Schaltelemente weisen jeweils zwei Wellenleiter auf, die aus Ti-diffundierten Bereichen bestehen, die im Substrat 21 durch das gleiche Verfahren unter Bedingungen einer Ti- Dicke von 450 Å vor der Diffusion und 8stündiges Diffundieren bei 1050 ºC ausgebildet sind. Das erste und zweite Schaltelement 22 und 23 haben jeweils eine Wellenleiterbreite W von 9 um, eine Lücke G zwischen den Wellenleitern von 9 um und eine vollständige Koppellänge Lc von 18 mm in der TE-Mode und der TM-Mode. Andererseits haben das dritte und vierte Schaltelement 24 und 25 jeweils eine Wellenleiterbreite W von 11,5 um, eine Lücke G von 9,5 um und eine vollständige Koppellänge Lc von 22 mm in der TE-Mode und der TM-Mode.
Im Betrieb werden Lichtsignale mit den Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; ein- und ausgeschaltet, indem eine über den Elektroden angelegte Spannung gesteuert wird, um einen ÜBERGANGS- und SPERR-Zustand gemäß der Darstellung in der folgenden Tabelle zu erzeugen. WELLENLÄNGE SCHALTELEMENT SCHALTZUSTAND ÜBERGANG SPERRE EIN AUS
Andererseits können die Lichtsignale mit den Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; gemäß der Darstellung in der folgenden Tabelle so umgeschaltet werden, daß die umgeschalteten Lichtsignale an Ausgangsanschlüssen 29A und 30A vorliegen. WELLENLÄNGE SCHALTELEMENT SCHALTZUSTAND ÜBERGANG SPERRE
Ein solcher Zustand wird durch das im folgenden beschriebene Verfahren gewährleistet. Fig. 7 und 8 zeigen die Beziehung zwischen der Dicke der Ti-Schicht und der vollständigen Koppellänge Lc in der TE- und TM-Mode im Schaltelement für Wellenlängen von 1,3 um bzw. 1,55 um. In beiden Fällen erfolgt die Diffusion von Ti 8 Stunden bei 1050 ºC.
Ist gemäß Fig. 7 für das Licht mit der Wellenlänge λ&sub1; (= 1,3 um) die Wellenleiterbreite W auf 9 um festgelegt, so ist die vollständige Koppellänge Lc in der TE- und TM-Mode gleichwertig, wenn die Dicke der Ti-Schicht vor der Diffusion 450 Å beträgt, obwohl der Wert der vollständigen Koppellänge Lc von der Lücke G zwischen den Wellenleitern abhängt, so daß Lc 18 mm bei G = 9 um, 13 mm bei G = 8 um und 8 mm bei G = 7 um beträgt. Ist andererseits die Lücke G auf 9 um festgelegt, hat die vollständige Koppellänge Lc den gleichen Wert in der TE- und TM-Mode, wenn die Dicke der Ti-Schicht vor der Diffusion entsprechend der Wellenleiterbreite W so ausgewählt wird, daß die Ti-Schichtdicke 420 Å bei W = 10 Mm, 450 Å bei W = 9 um und 480 A bei W = 8 um beträgt. Der Wert der vollständigen Koppellänge Lc beträgt 20 mm unter jeder dieser Bedingungen, solange die Lücke G 9 um beträgt.
Ist als nächstes gemäß Fig. 8 für Licht der Wellenlänge λ&sub2; (= 1,55 um) die Wellenleiterbreite W auf 10 um festgelegt, so ist die vollständige Koppellänge Lc in der TE- und TM-Mode gleichwertig, wenn die Dicke der Ti-Schicht vor der Diffusion 480 Å beträgt. Ist andererseits die Lücke G auf 9,5 um festgelegt, hat die vollständige Koppellänge Lc den gleichen Wert in der TE- und TM-Mode, wenn die Dicke der Ti-Schicht vor der Diffusion entsprechend der Wellenleiterbreite W so ausgewählt wird, daß die Ti-Schichtdicke 420 Å bei W = 13 um, 450 Å bei W = 11,5 um und 480 Å bei W = 10 um beträgt.
Folglich läßt sich die erforderliche Dicke der Ti- Schicht entsprechend der Wellenleiterbreite W so einstellen, daß die vollständige Koppellänge Lc in der TE- und TM-Mode gleichwertig ist. Ist die Wellenleiterbreite W jedoch zu schmal, können sich die Übertragungsverluste auch dann erhöhen, wenn die Ti-Schicht ausreichend dick ist, da der Optische Einschluß in der TE-Mode in einem solchen Fall nicht ausreichend ist. Ist dagegen die Ti-Schicht zu dünn, können sich die Koppelverluste zum LWL auch dann erhöhen, wenn die Wellenleiterbreite W ausreichend breit ist, da die Verteilung der Ti-Konzentration im Substrat größer wird.
Fig. 9 zeigt eine Beziehung zwischen der Wellenleiterbreite W und der Dicke der Ti-Schicht vor der Diffusion, die so ist, daß die vollständige Koppellänge Lc den gleichen Wert in der TE- und TM-Mode hat. Der mit schrägen Linien bezeichnete Bereich stellt einen Effektivbereich dar, in dem die Wellenleiterbreite W und die Ti-Schichtdicke im Hinblick auf die zuvor erläuterten Übertragungsverluste und Koppelverluste bevorzugt sind. Aus Fig. 9 geht deutlich hervor, daß bei λ&sub1; = 1,3 um und λ&sub2; = 1,55 um das Verhältnis der entsprechenden Wellenleiterbreiten vorzugsweise zwischen etwa 0,91 λ&sub1;/λ&sub2; und etwa 0,94 λ&sub1;/λ&sub2; liegt.
Fig. 10 zeigt Schaltkenngrößen der optischen Wellenleitervorrichtung. In allen Schaltelementen der optischen Wellenleitervorrichtung ist der Verlust 0 (d. h., alle Schaltelemente sind im Übergangszustand), wenn keine Spannung an den Elektroden anliegt. Das erste und zweite Schaltelement 22 und 23 werden jedoch in der TE- und TM-Mode in den Durchlaufzustand versetzt, wenn eine Spannung Vs (λ&sub1;) von 20,5 V an ihren Elektroden anliegt, und das dritte und vierte Schaltelement 24 und 25 werden in der TE- und TM-Mode in den Durchlauf zustand versetzt, wenn eine Spannung Vs (λ&sub2;) von 24,5 V an ihren Elektroden anliegt.
Die vollständige Koppellänge Lc kann gemäß der vorstehenden Beschreibung entsprechend der Wellenleiterbreite W ausgewählt werden, und die zur Zustandsänderung des Schaltelements vom Übergangszustand zum Durchlaufzustand erforderliche Spannung erhöht sich mit kürzerer vollständiger Koppellänge, so daß vorgesehen sein kann, daß alle Schaltelemente den Zustand beim gleichen Spannungspegel ändern.
Im folgenden wird ein Zwei-Wellenlängen-OTDR unter Verwendung der optischen Wellenleitervorrichtung 20 anhand von Fig. 11 beschrieben. Im OTDR sind die Eingänge des optischen Wellenleiterschalters 20 mit einem optischen Teiler 34 über einen ersten und zweiten Eingangs-LWL 26 und 27 verbunden, und die Ausgänge des Schalters 20 sind mit einer ersten und zweiten Fotodiode 35 und 36 über einen ersten und zweiten Ausgangs-LWL 29 und 30 verbunden. Der optische Teiler 34 ist mit einem LWL 33 verbunden, über den Licht mit einer Wellenlänge λ&sub1; (= 1,3 um) oder λ&sub2; (= 1,55 um) übertragen wird.
Im Betrieb wird zur Messung von Kenngrößen des LWL 33 Licht der Wellenlänge λ&sub1; (= 1,3 um) oder Licht der Wellenlänge λ&sub2; (= 1,55 um) von einer (nicht gezeigten) Laserdiode zum LWL 33 abgestrahlt. Das den optischen Teiler 34 erreichende Licht wird darin so aufgeteilt, daß Licht der Wellenlänge λ&sub1; zum ersten Eingangs-LWL 26 geführt wird, das erste und zweite Schaltelement 22 und 23 passiert und anschließend zur ersten Fotodiode 35 über den ersten Ausgangs-LWL 29 geführt wird, während Licht der Wellenlänge λ&sub2; zum zweiten Eingangs-LWL 27 geführt wird, das dritte und vierte Schaltelenent 24 und 25 passiert und anschließend zur zweiten Fotodiode 36 über den zweiten Ausgangs-LWL 30 geführt wird. Reflektiertes Licht von Übergängen, Verbindungen oder Bruchstellen des geprüften LWL 33 wird durch den optischen Wellenleiterschalter 20 abgeschnitten, so daß jede Zunahme des Bereichs, in dem eine Messung infolge von Sättigung der Fotodioden 35 und 36 unmöglich ist, vermieden wird.
Im folgenden wird eine optische Wellenleitervorrichtung für ein Zwei-Wellenlängen-OTDR für Messungen unter Verwendung von zwei Wellenlängen λ&sub1; (= 1,3 um) und λ&sub2; (= 1,55 um) gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert.
In Fig. 12 weist die optische Wellenleitervorrichtung 40 ein erstes bis viertes Schaltelement 42 bis 45 auf, die in einem aus Lithiumniobat bestehenden Substrat 41 ausgebildet sind. Das erste Schaltelement 42 ist an einem Eingang mit einem Eingangs-LWL 46 verbunden. Die Ausgänge der beiden Wellenleiter des ersten Schaltelements sind jeweils mit einem Eingang eines jeweiligen Wellenleiters des zweiten und vierten Schaltelements 43 und 45 verbunden. Das vierte Schaltelement 45 ist an einem Ausgang mit einem ersten Ausgangs-LWL 47 verbunden. Das zweite und dritte Schaltelement 43 und 44 sind in Reihe verbunden, und das dritte Schaltelement 44 ist an einem Ausgang mit einem zweiten Ausgangs-LWL 48 verbunden.
Alle Wellenleiter der Schaltelemente 42 bis 45 sind durch Ausbilden von Ti-Schichten mit einer Dicke von 420 Å und 8stündiges Diffundieren bei 1050 ºC ausgebildet. Das erste und vierte Schaltelement 42 und 45, die jeweils als Schalter für Licht der Wellenlänge λ&sub1; (= 1,3 um) dienen, haben eine Wellenleiterbreite W von 10 um, eine Lücke G zwischen den Wellenleitern von 9 um und eine vollständige Koppellänge Lc in der TE- und TM-Mode von 18 mm. Andererseits haben das zweite und dritte Schaltelement 43 und 44, die jeweils als Schalter für Licht der Wellenlänge λ&sub2; (= 1,55 um) dienen, eine Wellenlängenbreite W von 13 um, eine Lücke G von 8 um und eine vollständige Koppellänge Lc von 15 mm.
Nachstehend wird der Betrieb des ersten Schaltelements 42 erläutert, das als Wellenlängenfilter dient. Als Wellenlängenfilter kann ein Richtungskoppler verwendet werden, der den Übergangszustand einnimmt, wenn ihm Licht mit 1,3 um Wellenlänge zugeführt wird, und der den Durchlauf zustand einnimmt, wenn ihm Licht mit 1,55 um Wellenlänge zugeführt wird. Es liegt jedoch keine Bedingung vor, unter der der Richtungskoppler den Übergangszustand einnimmt, wenn ihm Licht mit 1,3 um Wellenlänge in der TE- und TM-Mode zugeführt wird, und er den Durchlaufzustand einnimmt, wenn ihm Licht mit 1,55 um Wellenlänge in der TE- und TM-Mode zugeführt wird, so daß sich eine stark polarisationsunabhängige Leistung unter Verwendung des Richtungskopplers nicht erreichen läßt. Daher wird ein Schaltelement als Wellenlängenfilter verwendet.
Liegt keine Spannung an den Elektroden des ersten Schaltelements 42 an, befindet es sich im Übergangszustand, so daß ihm zugeführtes Licht mit 1,3 um Wellenlänge zum vierten Schaltelement 45 übertragen und zum ersten Ausgangs-LWL 47 ausgegeben wird. Unter dieser Bedingung ist jedoch der Einschluß von Licht mit 1,55 um Wellenlängen nicht ausreichend, so daß die vollständige Koppellänge Lc unterschiedliche Werte für die TE- und TM-Mode hat, wobei sie insbesondere 15 mm in der TE-Mode und 13 mm in der TM-Mode beträgt, was in Fig. 8 gezeigt ist.
Fig. 13 ist ein Schaltdiagramm des ersten Schaltelements 42. In einem Zustand, in dem keine Spannung an den Elektroden anliegt (entspricht dem Zustand auf der senkrechten Achse in Fig. 13), befindet sich das erste Schaltelement 42 im Übergangszustand für Licht mit 1,3 um Wellenlänge in der TE- und TM-Mode. Andererseits befindet sich das erste Schaltelement 42 nahezu im Durchlauf zustand für Licht mit 1,55 um Wellenlänge in der TE- und TM-Mode, so daß das erste Schaltelement 42 den Durchlauf zustand bei Anlegen einer relativ kleinen Spannung im Vergleich zum Umschalten des Zustands von einem vollständigen Übergangszustand einnimmt.
Fig. 14 zeigt Schaltkenngrößen des ersten Schaltelements 42. Das erste Schaltelement 42 nimmt den Durchlaufzustand für Licht mit 1,55 um Wellenlänge nach Anlegen einer Spannung von 12 V und bei 1,3 um-Licht nach Anlegen einer Spannung von 21 V ein.
Folglich arbeitet das erste Schaltelement 42 als Wellenlängenfilter, wenn eine vorbestimmte Spannung angelegt wird. In der Praxis wird zum ersten Schaltelement 42 geführtes Licht mit 1,3 um Wellenlänge zum vierten Schaltelement 45 geführt, wenn keine Spannung anliegt, während ihm zugeführtes Licht mit 1,55 um Wellenlänge zum zweiten Schaltelement 43 geführt wird, wenn eine Spannung von 12 V anliegt.
Als nächstes wird der Betrieb der optischen Wellenleitervorrichtung erläutert. Für Licht mit 1,3 um Wellenlänge nimmt die optische Wellenleitervorrichtung einen Einschaltzustand ein, wenn keine Spannung am ersten und vierten Schaltelement 42 und 45 anliegt, während sie einen Ausschaltzustand einnimmt, wenn an ihnen eine Spannung von 21 V anliegt. Andererseits nimmt für Licht mit 1,55 um Wellenlänge die optische Wellenleitervorrichtung den Einschaltzustand ein, wenn eine Spannung von 12 V am ersten Schaltelement 42 und keine Spannung am zweiten und dritten Schaltelement 43 und 44 anliegt, während sie den Ausschaltzustand einnimmt, wenn keine Spannung am ersten Schaltelement und eine Spannung von 21 V am zweiten und dritten Schaltelement 43 und 44 anliegt.
Im folgenden wird ein Zwei-Wellenlängen-OTDR unter Verwendung der optischen Wellenleitervorrichtung 40 anhand von Fig. 15 beschrieben. Im OTDR ist ein Eingang des optischen Wellenleiterschalters 40 mit einem zu messenden LWL 46 verbunden, über den Licht mit einer Wellenlänge λ&sub1; (= 1,3 um) oder λ&sub2; (= 1,55 um) übertragen wird. Zwei Ausgänge des Schalters 40 sind mit einer ersten und zweiten Fotodiode 50 und 51 über einen ersten und zweiten Ausgangs-LWL 47 und 48 verbunden.
Im Betrieb wird Licht der Wellenlänge λ&sub1; (= 1,3 um) oder Licht der Wellenlänge λ&sub2; (= 1,55 um) von einer (nicht gezeigten) Laserdiode zum zu messenden LWL 46 abgestrahlt. Das zurückgeführte Licht wird zur optischen Wellenleitervorrichtung 40 geführt. Geschaltet wird das Licht so, daß es zur ersten Fotodiode 50 geführt wird, wenn seine Wellenlänge 1,3 um beträgt, und zur zweiten Fotodiode 51, wenn seine Wellenlänge 1,55 um beträgt, indem die an den Schaltelementen anliegenden Spannungen gemäß der vorstehenden Erläuterung eingestellt werden.
Obwohl die Erfindung zur vollständigen und klaren Offenbarung anhand spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, sind die beigefügten Ansprüche nicht darauf beschränkt und umfassen alternative Konstruktionen, die dem Fachmann deutlich sein dürften und die den dargelegten grundsätzlichen Lehren entsprechen.

Claims

1. Optische Wellenleitervorrichtung mit:

einem ersten und zweiten optischen Richtungskopplerschalter (22, 23, 24, 25, 42, 43, 44, 45), die auf einem Substrat (21, 41) vorgesehen sind, wobei jeder Schalter ein Paar parallele Wellenleiter sowie Elektrodeneinrichtungen zum Anlegen einer Spannung über den Wellenleitern aufweist;

wobei die Wellenleiter des ersten und zweiten Schalters durch Diffusion in die Substratfilme der gleichen Dicke vorgesehen sind, die in einem vorbestimmten Muster auf dem Substrat unter vorbestimmten Diffusionsbedingungen aufgebracht sind; und

wobei die Breiten der Wellenleiter, die Koppellängen und die Abstände zwischen den Wellenleitern in dem ersten und zweiten Schalter in jedem Schalter so vorbestimmt sind, daß der erste Schalter mit Licht einer ersten Wellenlänge λ&sub1; unabhängig von dessen Polarisation arbeitet, und der zweite Schalter mit Licht einer zweiten Wellenlänge λ&sub2; unabhängig von dessen Polarisation arbeitet.

2. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1, worin: jeder optische Richtungskopplerschalter zwei in Reihe verbundene optische Richtungskopplerschalter aufweist.

3. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit:

einer Einrichtung (34) zum Aufteilen eines im Wellenlängenmultiplex behandelten Lichtsignals in mindestens zwei Lichtsignale mit der ersten und zweiten vorbestimmten Wellenlänge, wobei die Aufteilungseinrichtung an einer Lichteingangsseite des ersten und zweiten optischen Richtungskopplerschalters angeordnet ist.

4. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 3, worin: die Aufteilungseinrichtung als optischer Teil er für Lichtsignale der ersten und zweiten vorbestimmten Wellenlänge sowie nach Anlegen einer vorbestimmten Spannung an Elektrodeneinrichtungen der Aufteilungseinrichtung als optischer Richtungskopplerschalter für Lichtsignale der ersten oder zweiten vorbestimmten Wellenlänge dient.

5. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der erste optische Richtungskopplerschalter für Licht der ersten Wellenlänge λ&sub1; ohne Abhängigkeit von TE- und TM-Polarisationsmoden arbeitet und der zweite optische Richtungskopplerschalter für Licht der zweiten Wellenlänge λ&sub2; ohne Abhängigkeit von TE- und TM-Polarisationsmoden arbeitet, und die Vorrichtung eine Wellenlängen-Auswahleinrichtung zum Leiten von Licht der ersten und zweiten Wellenlänge von einem gemeinsamen Eingang zum Schalten durch den ersten bzw. zweiten optischen Richtungskopplerschalter aufweist.

6. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 5, in der der erste optische Richtungskopplerschalter zwei in Reihe verbundene Schaltelemente (42; 45) aufweist und die Wellenlängen-Auswahleinrichtung das vorgeschaltete Schaltelement (42) aufweist.

7. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, worin λ&sub1; = 1,3 um, λ&sub2; = 1,55 um und W&sub1;/W&sub2; größer als etwa 0,91 λ&sub1;/λ&sub2; und kleiner als etwa 0,94 λ&sub1;/λ&sub2; ist, worin W&sub1; die Wellenleiterbreite des ersten optischen Richtungskopplerschalters und W&sub2; die Wellenleiterbreite des zweiten optischen Richtungskopplerschalters ist.

8. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, worin die Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; 1,3 um bzw. 1,55 um und die Wellenleiterbreiten W&sub1; und W&sub2; 9 um bzw. 11,5 um betragen.

9. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, worin:

der erste und zweite optische Richtungskopplerschalter durch ein auf dem Substrat ausgebildetes optisches Filterelement (42) so verbunden sind, daß bei Empfang von Licht einer ersten und zweiten Wellenlänge durch die Vorrichtung an einem gemeinsamen Eingang (46) das Licht einer ersten Wellenlänge von dem Licht einer zweiten Wellenlänge getrennt wird.