DE69312773T2

DE69312773T2 - Regelbarer Polarisationswandler

Info

Publication number: DE69312773T2
Application number: DE69312773T
Authority: DE
Inventors: Der Tol Johannes Jacobus G Van
Original assignee: Koninklijke PTT Nederland NV
Current assignee: OL Security LLC
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2013-03-27
Also published as: EP0562695B1; FI115077B; JPH0618824A; ES2106261T3; FI931352A0; NL9200576A; DE69312773D1; CA2092778A1; ATE156600T1; JP2632123B2; NO931047L; US5285507A; NO931047D0; CA2092778C; FI931352L; EP0562695A1

Description

A. Hintergrund der Erfindung

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Übertragungssysteme und insbesondere, aber nicht ausschliesslich, solche Systeme, bei denen eine kohärente Erfassung eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft ein optisches Gerät zur steuerbaren Wandlung der Polarisation eines optischen Signales.

2. Stand der Technik

In einem kohärenten optischen Empfänger können ein empfangenes Signal und das von einem lokalen Oszillator stammende Signal nur dann in idealer Weise kombiniert werden, wenn die Polarisationszustände der Signale identisch sind. Das empfangene Signal tritt üblicherweise über einen die Polarisation nicht aufrechterhaltenden Lichtweg ein. Daraus ergibt sich, dass der Polarisationszustand des besagten Signals beim Empfang undefiniert ist. Eine der Lösungen für dieses Problem wird durch eine Polarisationssteuerung erreicht, wobei der Polarisationszustand von einem der beiden Signale so verändert wird, dass er dem des anderen Signales entspricht. Solch eine Lösung, bei der der Polarisationszustand des lokalen Oszillatorsignals verändert wird, ist in dem Stand der Technik [1] offenbart. Die dort beschriebene Polarisationssteuerung wird in der Art und Weise ausgeführt, dass ein steuerbarer Polarisationswandler eingesetzt wird, der über eine Rückkopplungsschleife angetrieben wird. Zusätzlich zu einigen steuerbaren Polarisationswandlern, die unter Einsatz von diskreten Bestandteilen gebaut sind, beschreibt dieser Stand der Technik eine integrierte optische Version, die auf Lithiumniobat basiert, und die in grösserem Detail in dem Dokument des Standes der Technik [2] beschrieben ist. Der bekannte Wandler umfasst einen steuerbaren Wandler für den Polarisationszustand, der zwischen zwei getrennt steuerbaren Phasenschiebern eingebaut ist. Sowohl die Phasenschieber als auch der Wandler für die Polarisationszustände basieren auf der elektrooptischen Veränderung der Ausbreitung der TE-Komponente und der TM-Komponente in einem monomodalen Wellenleiter des Kanal-Types. Die tatsächliche Wandlung eines Anteiles einer Polarisationskomponente in die andere Polarisationskomponente (TE E> TM) findet in dem Wandler für den Polarisationszustand statt. In einer integrierten optischen Version eines kohärenten optischen Empfängers hat nicht nur die optische, sondern auch die opto-elektronische und elektrische Signalverarbeitung auf dem einen Chip stattzufinden. Wenn es derzeitig auch üblich ist, für das Lichtsignal eine Wellenlänge zu wählen, die im nahen Infraroten liegt, kann mit dem derzeitigen Stand der Technik ein integrierter optischer Empfänger, der mit solch einem Polarisationswandler ausgestattet ist, nur aus Halbleitermaterial wie Indiumphosphid (InP) hergestellt werden. Ein Wandler für einen Polarisationszustand, der auf InP basiert und der den linearen elektro-optischen Effekt in diesem Material einsetzt, ist in dem Dokument [3] beschrieben. Um einen steuerbaren Polarisationswandler zu schaffen, der auf dem in dem Dokument [2] offenbarten Prinzip beruht, muss mindestens ein Phasenschieber hinzugefügt werden. Die Gesamtlänge des Wandlers und des Phasenschiebers ist im Vergleich zu dem auf derzeit erhältlichen InP-Substraten verfügbaren Platz relativ lang, ungefähr 10 mm. Es besteht daher die Notwendigkeit, einen steuerbaren Polarisationswandler auf einem modifizierten Prinzip aufzubauen, der eine kürzere Länge für solch eine Komponente gestattet, wenn diese auf der Basis eines Halbleitermaterials wie InP integriert werden soll. Ein Polarisationssteuerelement mit einem Mach- Zehnder-Interferometer mit einem TE E> TM-Wandler in einem ihrer Äste ist aus [4] bekannt.

B. Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen steuerbaren Polarisationswandler zu schaffen, der die oben genannten Erfordernisse erfüllt.
Zu diesem Zweck weist ein optisches Gerät zur steuerbaren Wandlung der Polarisation eines optischen Signals mit ersten und zweiten Kanalwellenleitern, wellenleiterartigen Polarisationswandlermitteln mit einem zentralen Wellenleiter, der mit dem ersten Kanalwellenleiter gekoppelt ist, einem dazwischenliegenden wellenleitenden Abschnitt, der den zentralen Wellenleiter der Wandlermittel mit dem zweiten Kanalwellenleiter koppelt, und Steuermitteln, die in dem dazwischenliegenden wellenleitenden Abschnitt wirken, das als solches aus der Druckschrift [2] bekannt ist, gemäss der vorliegenden Erfindung die kennzeichnenden Merkmale auf, dass die Polarisationswandlermittel einen TXTTY-Modenwandler aufweisen, um ein erstes geführtes Modensignal mit einer Polarisation TX in ein zweites geführtes Modensignal mit einer Polarisation TY und in einer unterschiedlichen Ordnung gegenüber der Ordnung des ersten geführten Modensignals zu wandeln, wobei TX und TY zueinander unterschiedlich sind und aus TE und TM ausgewählt sind, dass der dazwischenliegende wellenleitende Abschnitt ein Wellenleiterverzweigungsmittel aufweist, das mit dem zentralen Wellenleiter des Modenwandlermittels verbunden ist und mit zwei wellenleitenden Armen und armverbindenden Mitteln ausgestattet ist, um die beiden Wellenleiterarme in einen zweiten Kanalwellenleiter zu koppeln, und dass die Steuermittel Amplitudensteuermittel aufweisen, die in einem der beiden Wellenleiterarme eingefügt sind, um eine Differenz der optischen Weglänge in den zwei Armen zu steuern.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Gerät gemäss der Erfindung das kennzeichnende Merkmal auf, dass die Steuermittel weiterhin Phasensteuermittel aufweisen, die in e einer Wellenleiterverlängerung des zentralen Wellenleiters zwischen dem Modenwandler und dem Wellenleiterverzweigungsmittel eingefügt sind, um eine Phase zwischen den geführten Modensignalen zu steuern, die in der Modenordnung differieren.
In der nach vorne gerichteten Signalrichtung, das heisst bei Benutzung des ersten Wellenleiterkanals als Signaleingang und des zweiten Wellenleiterkanals als Signalausgang, wandelt das Gerät ein Eingangslichtsignal, welches in einem unbekannten Verhältnis eine erste Signalkomponente, die sich in einem ersten geführten Mode mit einer Polarisation TX (TE oder TM) ausbreitet, und eine zweite Signalkomponente umfasst, die sich in einem zweiten geführten Mode mit einer Polarisation TY (TM oder TE) ausbreitet, in ein Ausgangslichtsignal, dass sich mit einer vorbestimmten Polarisation TY ausbreitet. In einer entgegengesetzten Signalrichtung, das heisst bei Benutzung des zweiten Wellenleiterkanals als Signaleingang und des ersten Wellenleiterkanals als Signalausgang, formt das Gerät ein Eingangslichtsignal, das sich mit einer Polarisation TX (TE oder TM) ausbreitet, in ein Ausgangslichtsignal mit irgendeiner gewünschten Polarisation. Als ein Ergebnis der Nichtnutzung der Phasensteuermittel in der entgegengesetzten Anwendung oder durch das Nichteinfügen von diesen in die Vorrichtung wird ein optisches Gerät erhalten, welches für die Polarisationsmodulation oder für das Schalten der Polarisation sehr geeignet ist.
Die Erfindung benutzt die Tatsache, dass der Stand der Technik [3] einen passiven Modenwandler offenbart, mit dem die erste Signalkomponente, die eine Polarisation aufweist, in einem eintretenden Lichtsignal in eine Signalkomponente, die eine andere Polarisation aufweist, umwandelt, ohne wesentlich die zweite Signalkomponente zu verändern, die die besagte andere Polarisation in dem besagten Lichtsignal aufweist, sofern die Wandlung in einer anderen Ordnung des geführten Modes stattfindet. Bei einer vollständigen Wandlung umfasst das Lichtsignal am Ausgang eines solchen Modenwandlers lediglich Signalkomponenten derselben Polarisation, wenn auch in geführten Moden verschiedene Ordnung. Das Prinzip der Erfindung ist allgemein anwendbar; bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Wandlung zwischen geführten Moden der nullten (0.ten) und ersten (1.ten) Ordnung liegen. Dann können die geführten Moden in einfacher Weise mit Hilfe eines Mach- Zehnder-Interferometers kombiniert werden, wenn das gesamte Lichtsignal mit gleicher Intensität über zwei monomodale Arme des Interferometers verteilt ist und die Lichtbestandteile beider Arme in Phase an dessen Ausgang zusammenkommen. Dies kann jeweils mit dem steuerbaren Phasenschieber erreicht werden, der zwischen dem Modenwandler und dem Interferometer und der optischen Weglängensteuerung in einem der Arme des Interferometers eingefügt ist. Vorzugsweise ist das Gerät gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten wellenleitenden Kanäle monomodal sind, dass der zentrale Wellenleiter und seine Verlängerung bimodale Wellenleiter sind, dass das Gerät weiterhin einen Wellenleiteradapter für den graduellen Übergang von dem monomodalen ersten Wellenleiterkanal zu dem bimodalen zentralen Wellenleiter aufweist, und dass die Wellenleiterverzweigungsmittel, die Wellenleiterarme, die Wellenleiterkoppelmittel und die Amplitudensteuermittel ein steuerbares Mach-Zehnder-Interferometer bilden, bei dem die zwei Wellenleiterarme monomodal sind und auf der einen Seite in die Verlängerung des zentralen bimodalen Wellenleiters durch das Mittel einer ersten symmetrischen Y-Verbindung und auf der anderen Seite mit dem besagten Ausgangskanal durch eine zweite symmetrische Y-Verbindung angekoppelt sind.
Alle Unterkomponenten von solch einem steuerbaren Polarisationswandler können integriert werden unter Einsatz von Materialien, die in der integrierten Optik standardmässig eingesetzt werden. Eine feststellbare, steuerbare Veränderung der Ausbreitung, wie sie in dem Phasenschieber und dem Interferometer benötigt wird, begleitet von einer kurzen Baulänge, kann gemäss dem vorliegenden Stand der Technik unter dem Einsatz von Halbleitermaterialien wie InF unter Zuhilfenahme der Ladungsträgerzufuhr erreicht werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein steuerbarer Polarisationswandler in dieser Weise ausgebildet.
Das Gerät gemäss der Erfindung schafft einen steuerbaren Polarisationswandler, der mit Hilfe von bekannten Verfahren integrierbar ist, wobei es möglich ist, die Wellenleiterstruktur in einem einzigen Atzschritt zu erreichen, wobei keinerlei kritische Parameter bei der Herstellung auftreten und wobei die für die Steuerung notwendigen Steuerströme in dem Falle gering sind, dass die Integration auf Halbleitermatenahen wie InP stattfindet.

C. Stand der Technik

[1] N.G.. Walker und G.R. Walker, "Polarisation control for coherent optical fibre systems", Br. Telecom Technol. J, Vol 5, Nr. 2, April 1987, Seiten 63-76,
[2] GB-A-2 090 992 mit dem Titel: "Polarisation transformer",
[3] EP-A-0 513 919 (des Anmelders) mit dem Titel: "Mode converter", und
[4] JP-A-58 91 426

D. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit Hilfe eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Eine schematische Darstellung einer optischen Komponente gemäss der Erfindung in einer Draufsicht, und
Figur 2 einen Querschnitt durch eine Wellenleiterstruktur, die mit der Komponente nach Figur 1 eingesetzt werden kann.

E. Beschreibung eines Ausführungsbeispieles

Die Steuerung der Polarisation kann in kohärenten optischen Empfängern in zwei Weisen eingesetzt werden. Als erste Möglichkeit ergibt sich, dass der Polarisationszustand eines empfangenen Signales, welches eine unbekannte Polarisation aufweist, durch Polarisationssteuerung in einen Polarisationszustand überführt werden kann, der dem Signal eines lokalen Oszillators entspricht. Als zweite Möglichkeit ergibt sich, dass der Polarisationszustand des lokalen Oszillatorsignals so verändert werden kann, dass er dem empfangenen Signal mit unbekannter Polarisation entspricht. Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf die Struktur eines steuerbaren Polarisationswandlers gemäss der Erfindung, wobei der Polarisationswandler in beiden genannten Verfahren der Polarisationssteuerung eingesetzt werden kann. Die erste Möglichkeit kann bei einer Signalrichtung von links nach rechts eingesetzt werden. Die zweite Möglichkeit, wenn der Wandler umgekehrt eingesetzt wird, arbeitet bei einer Signalrichtung von rechts nach links. Wie es schematisch in der Figur 1 dargestellt ist, umfasst der Polarisationswandler zwischen einem monomodalen Eingangswellenleiter 1 des Kanaltyps und einem ähnlichen Ausgangswellenleiter 2 die folgenden Wellenleiterabschnitte, die sich nacheinander aneinanderlegen:
- ein wellenführender Adapter 3 von einem monomodalen in einen bimodalen Wellenleiter,
- ein Modenwandler 4, der nur die TX&sub0;&sub0;-Komponente eines Signals, welches Signalkomponenten in dem TX&sub0;&sub0;-geführten Mode und in dem Tyoo-geführten Mode aufweist, in eine Signalkomponente umwandelt, die sich weiter in einer geführten TY&sub0;&sub1; Mode ausbreitet, während die TY&sub0;&sub0;-Komponente unbeeinflußt bleibt. Dabei stehen TX und TY jeweils für eine der Polarisationen TE oder TM, wobei TX nicht zu TY identisch ist,
- ein steuerbarer Phasenschieber 5, bei dem die Phase zwischen Signalkomponenten, die sich in den geführten Moden TY&sub0;&sub0; und TY&sub0;&sub1; durch das Mittel eines Phasensteuerungsmittels 6 ausbreiten (strichliniertes Rechteck),
- ein Mach-Zehnder-Interferometer 7 mit wellenleitenden Ästen 8 und 9, wobei die Länge des optischen Weges im Arm 9 durch das Mittel eines Steuermittels 10 (strichliniertes Rechteck) steuerbar ist.
Für den Modenwandler 4 wird bevorzugt ein passiver 100%- Wandler eingesetzt, der von dem im Stand der Technik [3] beschriebenen Typ ist. Um die Erfindung einzusetzen, können zwei Modenwandler benutzt werden, zum Beispiel ein TE&sub0;&sub0;TTM&sub0;&sub1;- Modenwandler und ein TN&sub0;&sub0;TTE&sub0;&sub1;-Modenwandler. Zur Vereinfachung der Darstellung wird der TM&sub0;&sub0;TTE&sub0;&sub1;-Modenwandler in der weiteren Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles näher dargestellt. Der besagte Modenwandler weist einen zentralen bimodalen Wellenleiter 11 auf, der periodisch variierende geometrische Strukturen in longitudinaler Richtung umfasst, wobei dies in der Zeichnung durch eine Anzahl von alternierenden, sich wiederholenden Verengungen und Erweiterungen des Wellenleiters 11 über seine Länge dargestellt wird.
Der Phasenschieber 5 kann als bimodaler Wellenleiter 12 hergestellt werden, der lediglich einer Verlängerung des zentralen bimodalen Wellenleiters 11 des Nodenwandlers entspricht, wobei angenommen wird, dass der Brechungsindex innerhalb von diesem in einer ausreichenden Weise unter Einsatz von geeigneten Steuermitteln verändert werden kann, so dass die gemeinsame Phase zwischen den Signalkomponenten, die aus dem Modenwandler austreten, von verschiedenen geführten Moden mit derselben Polarisation eingestellt werden können.
Das Interferometer 7 schliesst an den bimodalen Wellenleiter 12 mit Hilfe einer symmetrischen Y-Verbindung 13 an, die den bimodalen Wellenleiter 12 in zwei monomodale Wellenleiter aufspaltet, die die getrennten Arme 8 und 9 bilden. Diese monomodalen Wellenleiterarme 8 und 9 werden dann mit Hilfe eines symmetrischen Y-Verbinders 14 wieder zusammengebracht und in den monomodalen ausgehenden Wellenleiter 2 umgewandelt.
Die Vorgehensweise ist dabei wie folgt:
Mit einer vorgegebenen Signalrichtung von links nach rechts wird ein Signal unbekannter Polarisation in ein Signal im TE- Polarisationszustand umgewandelt. Ein Signal, welches über den monomodalen Wellenleiter 1 des Kanaltyps eintritt und eine unbekannte Polarisation aufweist, umfasst im allgemeinen eine TE&sub0;&sub0;-Komponente und eine TM&sub0;&sub0;-Komponente von beliebiger relativer Stärke und beliebiger relativer Phase. Das besagte Signal breitet sich über den Adapter 3 in den bimodalen Wellenleiter 12 des Modenwandlers 4 aus. Im Modenwandler 4 wird die TM&sub0;&sub0;-Komponente in eine TE&sub0;&sub1;-Komponente umgewandelt, während die TE&sub0;&sub0;-Komponente im wesentlichen unverändert bleibt. Die so erhaltene TE&sub0;&sub1;-Komponente ist immer noch von unbekannter Stärke und Phase in Bezug auf die TE&sub0;&sub0;-Komponente. Falls die gegenseitige Phasendifferenz zwischen der TE&sub0;&sub0;-Komponente und der TE&sub0;&sub1;-Komponente in dem Phasenschieber 5 mit der Hilfe der Steuermittel 6 auf +π/2 oder -π/2 eingestellt wird, wird sich hinter dem Phasenschieber das Signal selbst über den symmetrischen Y-Verbinder 13 in Signalteile mit gleicher Stärke über die beiden Arme 8 und 9 des Interferometer 7 aufspalten. Wenn die optische Weglängendifferenz zwischen den Armen 8 und 9 im Arm 9 mit der Hilfe der Steuermittel 10 in solch einer Weise angepasst wird, dass die zwei Signalanteile an dem Y-Verbinder 14 in Phase eintreffen, werden die beiden Signalanteile sich so zusammenfügen, um ein maximales Signal zu bilden, welches sich weiter in dem TE&sub0;&sub0;-geführten Mode in dem Ausgangswellenleiter 2 ausbreitet. Zum Einsatz als Polarisationssteuermittel werden die Steuermittel 6 und 10 des steuerbaren Polarisationswandlers so angepasst, um ein maximales Signal im Ausgangswellenleiter zu erzeugen.
Im Falle der umgekehrten Nutzung des Wandlers, was bedeutet, dass eine Signalrichtung von rechts nach links vorliegt, kann ein Signal mit bekannter Polarisation, in diesem Fall die TE- Polarisation, in ein Signal mit jedem gewünschten Polarisationszustand transformiert werden, indem die Steuermittel 6 und entsprechend angepasst werden. Ein Signal der TE- Polarisation, welches über den Wellenleiter 2 eintritt, wird in dem Y-Verbinder 14 in Signalanteile gleicher Intensität und geführten Moden aufgespalten, die sich weiterhin entlang den Armen 8 und 9 des Interferometers 7 ausbreiten. In Abhängigkeit von der relativen Phasendifferenz, mit der die besagten Signalanteile dann wiederum in dem Y-Verbinder 13 zusammengeführt werden, breitet sich das kombinierte Signal in dem bimodalen Wellenleiter 12 des Phasenschiebers 5 entweder ausschliesslich in dem TE&sub0;&sub0;-Mode (für eine relative Phasendifferenz von 2kπ rad, wobei k = 0,±1,±2, etc.) oder ausschliesslich in dem TE&sub0;&sub1;-Mode (für eine relative Phasendifferenz von (2k+l)π rad, wobei k = 0,±1,'2, etc.) oder in einem gemischten Signal mit Signalkomponenten im TE&sub0;&sub0;-Mode und im TE&sub0;&sub1;-Mode bei welchem ein Amplitudenverhältnis vorliegt, welches direkt von der relativen Phasendifferenz abhängt. Die besagte Phasendifferenz kann eingestellt werden, indem die optische Weglängendifferenz zwischen den Armen 8 und 9 mit Hilfe des Steuerungsmittels 10 gesteuert wird. In dem Modenwandler 4 wird die Signalkomponente im TE&sub0;&sub1;-Mode in eine Signalkomponente im TM&sub0;&sub0;-Mode umgewandelt, während die andere Signalkomponente im TE&sub0;&sub0;-Mode des gemischten Signales durch den Modenwandler unverändert hindurchtritt. Beide Signalkomponenten breiten sich dann in unveränderter Form über den ersten Adapter 3 und den monomodalen Wellenleiter 1 aus. Die relative Phasendifferenz, die zwischen den zwei Signalkomponenten beim Durchtritt durch den Adapter 3 besteht, kann mit Hilfe der Steuermittel 6 des Phasenschiebers 5 eingestellt werden. Ein Signal, welches mit einer TE-Polarisation über den Wellenleiter 2 eintritt, kann daher durch eine Amplitudensteuerung mit Hilfe des Steuermittels 10 und einer Phasenkontrolle mit Hilfe des Steuermittels 6 in ein Signal gewandelt werden, welches jeden gewünschten Polarisationszustand aufweist und über den Wellenleiter 1 austritt. Wenn die Phasenkontrolle mit Hilfe des Steuermittels 6 weggelassen wird oder wenn das Steuermittel 6 selbst fehlt, ist der Polarisationswandler in der umgekehrten Richtung zur Polarisationsmodulation sehr geeignet, wie diese zum Beispiel in DIPS-Verfahren (Data Induced Polarisation Switching) eingesetzt wird. Durch die Steuerung der Amplitude mit der Hilfe des Steuermittels 10 im Interferometer können elektrische Signale, die einer binären "0" und "1" entsprechen, als zugeordnete TE&sub0;&sub0;- und TE&sub0;&sub1;- Signale angesehen werden. Im Modenwandler 4 werden dann ein TE-Mode und ein TM-Mode als Darstellung dieser binären Werte erzeugt.
Alle wellenleitenden Abschnitte des Polarisationswandlers, wie dieser in der Figur 1 dargestellt ist, können im Prinzip gänzlich mit den bekannten Integrationsverfahren und üblichen Lichtwellenleitermaterialien und -strukturen hergestellt werden. Es liegt die jedoch die Einschränkung vor, dass das Wellenleitermaterial, welches zumindest den Phasenschieber 5 und den Arm 9 des Interferometers 7 bildet, immer die Möglichkeit der oben erwähnten Phasensteuerung und Steuerung der optischen Weglänge aufweist. Theoretisch können die gewünschten Steuerungen erreicht werden, indem die Lichtausbreitung in den jeweiligen Wellenleitern durch elektro-optische, thermooptische, opto-optische, usw., Effekte verändert werden, wenn eine geeignete Wahl des Materials, des Wellenleiters oder seiner Umgebung und der die Anpassung modifizierenden Mittel vorgesehen werden. Vorzugsweise jedoch werden elektrooptische Effekte eingesetzt und insbesondere eine Ladungsträger-Injektion in das Halbleitermaterial. Wenn ein Material wie InP eingesetzt wird, kann die gesamte Wellenleiterstruktur des Polarisationswandlers nach Figur 1 mit demselben Typ von Längssteghohl- oder Stufenwellenleitern erzeugt werden, dessen Querschnitt in der Figur 2 dargestellt ist. Zwischen einem Substrat 21 und einer Oberschicht 22, beide bestehend aus InP, liegt eine lichtführende Schicht 23 aus InGaAsP mit einer Dicke t. Über die gesamte Länge der Wellenleiterstruktur weist .die obere Schicht 22 eine stufenförmige Plattform 22.1 mit einer festen Höhe h und einer Gesamthöhe H auf. Diese weist weiterhin eine Breitew auf, die sich für die aufeinanderfolgenden Lichtwellenleiter 1, 3, 11, 12, 8, 9 und 2 verändert. Zum dem Zwecke der Ladungsträger-Injektion in den bimodalen Wellenleiter 12 und den monomodalen Wellenleiter 9 ist eine planare Elektrode 24 über der Unterseite des Substrates 11 vorgesehen, die sich zumindest unter einem Teil von jedem Abschnitt der Wellenleiter 9 und 12 erstreckt, wie dies beispielsweise durch die gestrichelt dargestellten Rechtecke der Steuermittel 10 und 6 aus Figur 1 dargestellt wird. Über der planaren Elektrode 24 auf der Stufenplattform von jedem der Wellenleiter 9 und 12 ist eine Streifenelektrode 25 vorgesehen. Eine steuerbare Stromquelle kann mit den Elektroden 24 und 25 im Falle der Wellenleiter 9 und 12 eingesetzt werden und entsprechende Anschlüsse (nicht dargestellt) sind vorgesehen, um einen Strom zu liefern, mit dem in bekannter Weise eine Ladungsträger-Injektion in die obere Schicht 22 an Orten der Stufenplattform 22.1 erreicht werden kann. Daraus ergibt sich als Ergebnis eine Veränderung des Brechungsindex in diesem. Damit umfassen die Kontrollmittel 6 und 10 jeweils ein Elektrodenpaar 24 und 25. Die Elektrode 25, die Teil des Steuermittels 10 ist, unterliegt keiner kritischen Auswahl und kann so schmal in Bezug auf die Breite w gewählt werden, wie dargestellt, sie weist aber vorzugsweise dieselbe Breite wie die Stufenplattform 22.1 auf. Die Elektrode 25, die Teil des Steuermittels 6 ist, ist vorzugsweise entweder als einfacher schmaler Streifen in der Mitte oberhalb der Stufenplattform 22.1 des bimodalen Wellenleiters 12 oder als zwei elektrisch verbundene Streifen nahe der Kanten der Kantenplattform 22.1 angeordnet. Bei beiden Ausführungsbeispielen kann eine effektive steuerbare Phasenverschiebung durch das Mittel einer Ladungsträger-Injektion zwischen den beiden sich in dem bimodalen Wellenleiter 12 ausbreitenden Moden, beispielsweise dem TE&sub0;&sub0;-Mode und dem TE&sub0;&sub1;-Mode, erreicht werden. Dies basiert auf der Tatsache, dass die Feldstärkenverteilung des Modes nullter (0.ter) Ordnung und die des Modes erster (1.ter) Ordnung eine charakteristische Differenz in solch einem Wellenleiter aufweist. Insbesondere ist im Zentrum eines solchen Kanalwellenleiters die dem Ausbreitungsmode erster (1.ter) Ordnung zugehörige Feldstärke (null), andererseits weist aber die dem Ausbreitungsmode nullter (0.ter) Ordnung zugeordnete Feldstärke ein Maximum auf. Dies schafft die Möglichkeit, im wesentlichen nur die Ausbreitung von einem der zwei Wellenmoden in dem Wellenleiter zu verändern, das heisst den der nullten (0.ten) Ordnung (Einzelstreifen) oder den der ersten (1.ten) Ordnung (zwei Streifen). Daraus ergibt sich eine Veränderung der relativen Phasendifferenz zwischen den besagten Ausbreitungsmoden.

Beispiel:

Die folgenden Werte dienen zur erläuternden Darstellung eines steuerbaren Polarisationswandlers mit einer Struktur entsprechend den Figuren 1 und 2 und der geeignet ist für Lichtsignale mit einer Wellenlänge von 1.5 µm:
Für die Stufenwellenleiterstruktur
- Brechungsindex von InP n&sub1; = 3.1753,
- Brechungsindex von InGaAsP n&sub2; = 3.4116
- t = 0.473 µm, H = 0.504 µm, h = 0.2 µm
Die besagte Stufenwellenleiterstruktur kann in einem einzigen Ätzschritt erzeugt werden, wobei die Breite w der einzig variable Parameter ist:
- der ankommende Wellenleiter 1 muss für TE und TM monomodal sein, daher ist w = 4.3 µm das Maximum;
- der Adapter 3 muss vom monomodalen zum bimodalen hin anpassen, wobei der bimodale Kanal vorzugsweise eine Breite aufweist, die dergestalt ausgewählt ist, dass der besagte Kanal nur für die TE-Polarisation bimodal ist. Hier ist eine Weite von w = 8.5 µm für diesen Zweck geeignet, wobei ungefähr ein Winkel von einem Grad als Anpassungswinkel für den Übergangsbereich ausgewählt ist. Daher ergibt sich die Länge des Adapters zu ungefähr 200 µm;
- der Modenwandler 4 ist ein 100% TM&sub0;&sub0;-TE&sub0;&sub1;-Modenwandler mit N = 11 Koppeloberflächen und einer Koppellänge von L = 91 µm. In der periodisch sich variierenden Struktur von weiten Bereichen und verengten Bereichen hat jeder weite Bereich eine Breite von 8.5 µm und jede Verengung eine Breite von w = 6 µm. Die Gesamtlänge des Modenwandlers beträgt ca. 1000 µm;
- der zentrale bimodale Wellenleiter 12 des Phasenschiebers 5 verfügt über eine Breite von w = 8 µm und eine Länge von ungefähr 1 mm. Die Streifenelektrode 25, die Teil des Steuermittels 6 ist, ist über die gesamte Länge der Stufenplattform 22.1 des bimodalen Wellenleiters 12 angeordnet und verfügt über eine Breite von 3 µm. Die Länge der Streifenelektrode 25 wird durch die Tatsache festgelegt, dass als Minimum eine Phasendifferenz von π/2 zwischen dem TE&sub0;&sub0;-Mode und dem TE&sub0;&sub1;-Mode erreichbar sein muss;
- der Y-Verbinder 13 weist einen Teilungswinkel von ungefähr 1 Grad auf und überführt den bimodalen Wellenleiter 12 in die monomodalen Wellenleiterarme 8 und 9 mit einem gegenseitigen Abstand von ungefähr 10 µm. Damit sind die beiden besagten Arme entkoppelt, die Länge des Y-Verbinders 13 liegt daher bei ungefähr 500 µm;
- die Wellenleiter der Arme 8 und 9 weisen eine Breite von 4.3 µm < w < 6 µm auf. Die Streifenelektrode 25, die einen Teil des Steuermittels 10 bildet, ist über eine Länge von ungefähr 50 µm der Stufenplattform 22.1 des monomodalen Wellenleiters des Armes 9 in dem Abschnitt angeordnet, in dem die Arme 8 und 9 entkoppelt sind, und weist eine Breite auf, die der Breite der Stufenplattform an diesem Punkt entspricht. Die Länge von ungefähr 50 µm der Streifenelektrode 25, die Teil des Steuermittels 10 bildet, ist durch die Tatsache festgelegt, dass als Minimum eine optische Weglängendifferenz zwischen den Armen 8 und 9 erreichbar sein muss, die einer Phasendifferenz von π rad entspricht;
- der Y-Verbinder 14 verfügt ebenfalls über einen Aufspaltwinkel von ungefähr 1 Grad und wandelt die monomodalen Wellenleiter der Arme 8 und 9 in den monomodalen Ausgangswellenleiter 2 um. Die Länge des Y-Verbinders 14 beträgt daher ungefähr 600 µm;
- der Ausgangswellenleiter 2 hat in dem vorliegenden Beispiel nur für die TE-Polarisation monomodal zu sein. Dies wird mit einer Breite w = 6 µm als Maximum erreicht.
Die anderen Dimensionen der Streifenelektrode 25 und die Auswahl des Materials für die Elektroden sind für die Funktion der Steuerung der jeweiligen Steuermittel, zu denen die Elektroden gehören, nicht relevant. Eine Dicke von ungefähr 200 nm wird üblicherweise mit einer Schichtstruktur von Ti (2-5 nm), Pt (2-5 nm) und Au gewählt.
Die Gesamtlänge von solch einem steuerbaren Polarisationswandler liegt daher ungefähr bei 3.35 mm. Dieses ist wesentlich kürzer als die erreichbaren Längen von bekannten elektro-optischen steuerbaren Wandlern. Diese Verkürzung wird im wesentlichen als Ergebnis einer Kombination von Effekten erreicht, die wesentlicher als der lineare elektro-optische Effekt sind. Sie liegen in einer Polarisationswandlung durch das Mittel einer passiven Modenwandlung und einer aktiven Phasensteuerung durch das Mittel einer Ladungsträger- Injektion.

Claims

1. Optisches Gerät zur steuerbaren Wandlung der Polarisation eines optischen Signals mit:

ersten und zweiten Kanalwellenleitern (1, 2),

wellenleiterartigen Polarisationswandlermitteln (4) mit einem zentralen Wellenleiter (11), der mit dem ersten Kanalwellenleiter gekoppelt ist,

einem dazwischenliegenden wellenleitenden Abschnitt (5, 7), der den zentralen Wellenleiter der Wandlermittel mit dem zweiten Kanalwellenleiter koppelt, und

Steuermitteln (6, 10), die in dem dazwischenliegenden wellenleitenden Abschnitt wirken,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Polarisationswandlermittel einen TXTTY-Modenwandler (4) aufweisen, um ein erstes geführtes Modensignal mit einer Polarisation TX in ein zweites geführtes Modensignal mit einer Polarisation TY und in einer unterschiedlichen Ordnung gegenüber der Ordnung des ersten geführten Modensignals zu wandeln, wobei TX und TY zueinander unterschiedlich sind und aus TE und TM ausgewählt sind,

dass der dazwischenliegende wellenleitende Abschnitt ein Wellenleiterverzweigungsmittel (13) aufweist, das mit dem zentralen Wellenleiter (11) des Modenwandlermittels verbunden ist und mit zwei wellenleitenden Armen (8, 9) und armverbindenden Mitteln (14) ausgestattet ist, um die beiden Wellenleiterarme in einen zweiten Kanalwellenleiter (2) zu koppeln, und

dass die Steuermittel Amplitudensteuermittel (10) aufweisen, die in einem (9) der beiden Wellenleiterarme eingefügt sind, um eine Differenz der optischen Weglänge in den zwei Armen zu steuern.

2. Optisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel weiterhin Phasensteuermittel (5) aufweisen,. die in einer Wellenleiterverlängerung (12) des zentralen Wellenleiters (11) zwischen dem Modenwandler (4) und dem Wellenleiterverzweigungsmittel (13) eingefügt sind, um eine Phase zwischen den geführten Modensignalen zu steuern, die in der Modenordnung differieren.

3. Optisches Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten wellenleitenden Kanäle (1, 2) monomodal sind, dass der zentrale Wellenleiter (11) und seine Verlängerung (12) bimodale Wellenleiter sind, dass das Gerät weiterhin einen Wellenleiteradapter (3) für den graduellen Übergang von dem monomodalen ersten Wellenleiterkanal (1) zu dem bimodalen zentralen Wellenleiter (11) aufweist, und dass die Wellenleiterverzweigungsmittel (13), die Wellenleiterarme (8, 9), die Wellenleiterkoppelmittel (14) und die Amplitudensteuermittel (10) ein steuerbares Mach-Zehnder- Interferometer bilden, bei dem die zwei Wellenleiterarme (8, 9) monomodal sind und auf der einen Seite in die Verlängerung (12) des zentralen bimodalen Wellenleiters (11) durch das Mittel einer ersten symmetrischen Y-Verbindung und auf der anderen Seite mit dem besagten Ausgangskanal (2) durch eine zweite symmetrische Y-Verbindung angekoppelt sind.

4. Optisches Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Muster von Wellenleitern umfasst, die aus Halbleitermaterial bestehen und dass die Amplitude und Phasensteuermittel Elektrodenmittel (24, 25) sind, um eine Ladungsträger-Injektion in die jeweiligen Wellenleiter zu erzeugen.