DE2527939A1

DE2527939A1 - Optisches bauelement sowie herstellungsverfahren hierfuer

Info

Publication number: DE2527939A1
Application number: DE19752527939
Authority: DE
Inventors: Franklin Winston Dabby; Sen David Harry Smithgall
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1974-07-01
Filing date: 1975-06-23
Publication date: 1976-01-22
Also published as: GB1508480A; FR2277352A1; FR2277352B1; CA1029225A; US3923373A; DE2527939C2; JPS5126052A

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 RadectestraGe 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

Western Electric Company, Incorporated Dabby 8-1

New York, N. Y., USA

Optisches Bauelement sowie Herstellungsverfahren hierfür

Die Erfindung bezieht sich auf optische Bauelemente sowie Herstellungsverfahren hierfür. Die Erfindung findet Anwendung beispielsweise bei Vorrichtungen zum Anregen und Koppeln bestimmter Übertragungsmoden in einem Multimoden-Wellenleiter, dessen Brechungsindex einen Gradienten besitzt.

Wellenleiter für integrierte optische Schaltungen werden auf verschiedenen Wegen hergestellt. Die gängigste Methode ist, ein dielektrisches Material auf einem dielektrischen Substrat niedrigeren Brechungsindexes niederzuschlagen. Siehe beispielsweise

München: Kramer · Dr. Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwitner

509884/1019

"integrated Optics: An Introduction" von S. E. Miller, Bell System Technical Journal, Band 48, Heft 7 (September 1969), Seiten 2059 - 2069 und "Sputtered Glass Waveguide for Integrated Optical Circuits" von J. E. Goell und R. D. Standley, Bell System Technical Journal, Band 48, Heft 10 (Dezember 1969) Seiten 3445 3448.

Die nach der obigen Methode hergestellten Wellenleiter umfassen eine zweldimensionale Wellenleitungsstruktur mit einer Brechungsindexverteilung, die in drei verschiedenen Zonen konstant ist, wobei diskontinuierliche Brechungsindex-Sprünge an den Grenzflächen zwischen der wellenleitenden Schicht und den beiden oberhalb und unterhalb hiervon angrenzenden Zonen vorhanden sind.

Ein weiterer, und in gewisser Hinsicht "besserer Weg für die Herstellung integrierter optischer Wellenleiter besteht in der Eindiffusion eines geeigneten Materials in ein Substrat mit dem Ziel, den Brechungsindex des Substrates nahe dessen Oberfläche zu erhöhen. Alternativ wird der Brechungsindex von kristallinem Eindomänen-Material, wie Lithiumnitoat (LiNbO,) oder Lithiumtanta- lat (LiTaO,) durch Ausdiffusion von Lithiumoxid (Li₃O) aus der Oberfläche des Materials erhöht. Jede: dieser beiden letzterwähnten Methoden führt zu einem ebenen Wellenleiter mit einem einen Gradienten aufweisenden Brechungsindexprofil.

Während diese Wellenleiter mit einem Gradienten im Brechungsindex

5098 84/1019

in vielerlei HinsJc ht optisch überlegen sind, haben sie die Eigenschaft, optische Energie in vielen verschiedenen Moden fortzupflanzen bzw. zu übertragen. Beispielsweise wurde von einigen Wellenleitern berichtet, daß sie bis zu 300 verschiedene Moden besitzen. Diese MuItimoden-Eigenschaft macht die Wellenleiter mit einem Gradienten im Brechungsindex für einige Anwendungsfälle ungeeignet, beispielsweise für optische Modulatoren, Demodulatoren, Filter u. dgl.

Demgemäß ist die Erfindung gerichtet auf ein optisches Bauelement mit eiiiem dielektrischen Körper, der einen Gradienten im Brechungsindex besitzt und optische Energie in einer VMzahl Übertragungsmoden zu führen vermag, und die Erfindung ist gekennzeichnet durch an jenen Teil des Körpers optisch angekoppelte Mittel, durch welchen im Betrieb optische Energie im wesentlichen nur in einem ausgewählten der Moden übertragen wird.

Diese Mittel können eine optische Fiber umfassen, die im wesentlichen nur den ausgewählten Übertragungsmode zu unterstützen vermag.

Alternativ können diese Mittel eine Quelle koherenter Strahlungsenergie aufweisen.

Der dielektrische Körper kann aus kristallinem Eindomänen-Material aufgebaut sein.

Der Brechungsindex-Gradient kann nahe einer Oberfläche des Körpers

509884/1019

liegen, und das Bauelement kann erste und zweite Elektroden auf der einen Oberfläche aufweisen sowie Mittel zum Anlegen eines Potentials an die Elektroden, um ein streifendes Feld in dem Körper zu erzeugen, wodurch die Vorrichtung als optischer Modulator arbeitet.

Der dielektrische Körper kann ein Lithiumniobat oder alternativ ein Lithiumtantalatsubstrat umfassen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren ssum Herstellen eines optischen Bauelements, bei dem Mittel optisch nur an jenen Teil eines dielektrischen Körpers, der einen Gradienten im Brechungsindex besitzt und optische Energie in einer Vielzahl Übertragungsmoden zu führen vermag, angekoppelt werden, durch welchen optische Energie im wesentlichen in nur einem ausgewählten der Moden übertragen wird.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, deren einzige Figur einen Modulator 10 mit einem planaren Wellenleiter 11 zeigt.

Es sei jedoch bemerkt, daß die Erfindung nicht auf optische Modulatoren beschränkt ist, sondern auch auf jeden planaren Wellenleiter mit einem Gradienten im Brechungsindex oder auf jede aktive oder passive Vorrichtung mit einem solchen Wellenleiter anwendbar ist.

Der Wellenleiter 11 weist eine einkristalline dielektrische Platte,

50988 4/1019

beispielsweise eine LiNbO,- oder LiTaO^-Platte, auf, die zum Beispiel durch Ausdiffusion von LigO so behandelt worden ist, daß ein Oberflächenbereich 12 einen höheren Brechungsindex als die restliche Platte besitzt. Der Brechungsindex kann mit zunehmender Entfernung von der oberen Oberfläche der Platte linear abfallen, im allgemeineren Fall wird aber ein nichtlinearer Brechungsindexgradient, beispielsweise in Form einer komplementären Fehlerfunktionsverteilung vorhanden sein.

Zwei Elektroden 13 und 14 sind auf die Oberfläche des Wellenleiters 11 niedergeschlagen und mit einer Modulationspotentialquelle verbunden. Die Elektroden IJ> und 14, die auf die Oberfläche des Wellenleiters 11 aufgedampfte oder aufgestäubte Golddünnschichten sein können, erzeugen innerhalb des Körpers des Wellenleiters ein Streifendes elektrisches Feld, das typischerweise 20 «m tief reicht und in allgemein bekannter Weise den Brechungsindex innerhalb des Wellenleiters selektiv ändert.

Strahlungsenergie, beispielsweise koherentes monochromatisches Licht von einem Laser tritt in den Wellenleiter entweder direkt oder, wie dargestellt, über eine erste optische Fiber 17 am linken Ende des Wellenleiters ein und aus diesem über eine zweite optische Fiber 18 aus.

Obgleich nicht dargestellt, kann es notwendig sein, einen oder zwei Tropfen einer den Brechungsindex anpassenden Flüssigkeit an der Übergangsstelle zwischen den Fibern VJ und 18 und dem

509884/ 1019

Wellenleiter 11, beispielsweise an der Stelle 19 vorzusehen.

Wie nachstehend im einzelnen noch beschrieben wird, wird die optische Fiber 18 an den Wellenleiter 11 nicht an der Oberfläche der Zone 12 angekoppelt, sondern in genau vorbestimmtem Abstand d unterhalb der Oberfläche, wobei sich dieser Abstand von Wellenleiter zu Wellenleiter ändert und vom speziellen Mode abhängt, in welchem Energie in der Fiber übertragen werden soll.

Die nachstehende Tabelle 1 gibt die Resultate einiger Versuche wieder, die an mehreren planaren Wellenleiter mit verschiedenen Breehungslndexgradienten durchgeführt worden sind. In der Tabelle bedeutet Δ.η die Änderung des Brechungsindexes zwischen dem Hauptteil des Wellenleiters (iIq = 2,214) und dem behandelten Bereich, ferner bedeuten a die Tiefe des behandelten Bereichs in Mikrometer, k den Kehrwert der Wellenlänge im Wellenleiter und η _f- den effektiven Brechungsindex im Wellenleiter.

509884/10 19 _of,_1S1NAL INSPECTED

SO
too

tSl Ή

WOA

O CU K\

^J-OO t-i CU

ve

VO

rH

CU CVl

00

οο in in

OO CVl

CQ

vom

rH ΓΛ

ooo
t-vo

in in

t-H i-H

cucu

• ·

CUCU

OCVJ

558.88

t-t

SH

KM*V

KMn

VOU

in
vo

f^CU

in in

rH rH

cucu

• .

cucu

O CU

cucxT

VO-sf

ooo voo oo ο ο

•=i-.=t-

rH rH CU CU

• ·

CU CU

VO

in vo
in

in

rH
VO

in

CC

CU

in

in in 00

2.2

in

VO

rH

X! O

Ih

509884/1 CI 9

ι>-ι>-ιηκ\«-ι ι rH cu KVt in

vot-oo cuvo 00 t-vovo in in

cu cu cu cu cu cu cucucu cucucu

cu (Λ-=ι- in

QO

i-I

vo

ΙΛ I O

rH X O

00

PÜr den Versuchswellenlelter RSl zeigt die Tabelle 1, daß 90# der Energie im Null-Mode eingegrenzt ist auf die ersten 14^m des Bereiches 12 und daß praktisch 100$ der Energie auf die ersten 28^m eingegrenzt sind. Der erste Mode hat andererseits 90# seiner Energie auf innerhalb der ersten 23/^m und praktisch 100$ auf innerhalb der ersten 38/om eingegrenzt. Man sieht daher, daß, obwohl eine gewisse Überschneidung zwischen den Energiebändern im Null-Mode und im ersten Mode vorhanden ist, durch geeignetes geometrisches Anordnen einer optischen Fiber, vorzugsweise einer solchen, die nur in einem einzigen Mode überträgt, derart, daß die Fiber an das Ende des Wellenleiters innerhalb des gewünschten Energiebandes angrenzt, erreicht wird, daß praktisch nichts der unerwünschten Moden, die sich im Wellenleiter fortpflanzen, in die Fiber eingekoppelt wird, also im wesentlichen eine Einzelmoden-Kupplung erhalten wird. Genau dieselbe Technik trifft auch auf die Modenanregung im Wellenleiter zu.

Ist man daher hauptsächlich am Null-Mode interessiert, so würde die Fiber l8 als eine in einem Einzel-Mode übertragende Fiber ausgewählt werden und würde, falls der Versuchswellenleiter RS 1 benutzt wird, so angeordnet werden, daß ΐΗ-μ ^d < 28^ eingehalten wird. In ähnlicher Weise würde, wenn es gewünscht ist, den Wellenleiter 11 so anzuregen, daß er einen Einzel-Mode Überträgt, wie dieses beispielsweise gewünscht wird, wenn der Wellenleiter als Modulator betrieben werden soll, ein Laserstrahl o. dgl. auf den Wellenleiter so zu richten sein, daß er hierauf innerhalb desselben l4/£Bi breiten Energiebandes auf trifft.

509884/1019

Streng genommen ändert sich der Einführungswinkel für jeden Mode von Mode zu Mode· Theoretisch sollte dann die Fiber l8 einen verschiedenen Winkel mit dem Ende des Wellenleiters für jeden ein- oder ausgekoppelten Mode bilden. In der Praxis ist aber, weil die Differenz im Brechungsindex zwischen Substrat

kleiner und der Oberflächenzone 12 klein ist, typischerweise/als 4 χ ΙΟ"-⁵, die Differenz zwischen den verschiedenen Einführungswinkeln zu klein, um aufgelöst zu werden und kann deshalb vernachlässigt werden.

Es sei bemerkt, daß die vorstehend beschriebene wirksame Endanregung einzelner Moden nicht bewerkstelligt werden kann durch Verwendung der üblicheren Prismenkopplungsmethoden, die große Differenzen im effektiven Brechungsindex fordern. Im vorliegenden Fall ändert sich dieser, wie aus Tabelle 1 hervorgeht, nur in der vierten Dezimalstelle, Entsprechend der Erfindung aufgebaute Wellenleiter sind daher viel leichter und billiger herzustellen.

Gleichfalls sei bemerkt, daß die räumliche Eingrenzung der Moden niedrigerer Ordnung nicht kritisch von den exakten Werten der Brechungsindexänderung oder den Wellenleiterabmessungen abhängt. Daher braucht der Wellenleiter nicht innerhalb kritischer Toleranzen hergestellt zu werden, um diese Eigenschaften in kontrollierter Weise zu erhalten, was gleichfalls von praktischem Nutzen ist.

Schließlich erstreckt sieh im Falle des dargestellten Modulators das streifende Feld von den Elektroden IJ> und Ik annäherend 20 (L m

509884/1019

in den Wellenleiter hinein, was mehr als genug ist, den Null-Mode modulieren IZU können, da dieser, wie ersichtlich, eng auf einen oberflächennahen Bereich des Wellenleiters in Form eines Bandes, beispielsweise zwischen 14 und 20 ^m Tiefe bei der Probe RSl, eingegrenzt ist·

Im Sinne der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck Brechungsindex-Gradient eine Brechungsindexverteilung, die gekennzeichnet ist durch kleine prozentuale Änderungen der gesamten Brechungsindexdifferenz, die innerhalb einer Viertel-Wellenlänge der sich im Wellenleiter fortpflanzenden Wellenenergie auftreten.

509884/ 1019

Claims

BLUMBACK - WESER · BERGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden; Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenfaerger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237

Patentansprüche

[Ii Optisches Bauelement mit einem dielektrischen Körper, der einen Gradienten im Brechungsindex besitzt und optische Energie in einer Vielzahl Übertragungsmoden zu führen vermag, gekennzeichnet durch an jenen Teil (12) des Körpers (11) optisch angekoppelte Mittel (17, 18) durch welchen im Betrieb optische Energie im wesentlichen in nur einem ausgewählten der Moden übertragen wird.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch angekoppelten Mittel eine optische Fiber (17 oder 18) aufweisen, die im wesentlichen nur den ausgewählten Übertragungsmode zu unterstützen vermag.
3« Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch angekoppelten Mittel eine Quelle koherenter Strahlungsenergie umfassen.
4, Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (11) aus einem kristallinen Eindomänen-Material aufgebaut ist.

München: Kramer ■ Dr. Weser ■ Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr.Bergen · Zwirner

50988 A/1019
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex-Gradient nahe der einen Oberfläche des Körpers (11) gelegen ist und daß erste (13) und zweite (14) Elektroden sowie Mittel (16) zum Anlegen eines Potentials an die Elektroden zur Erzeugung eines streifenden Feldes in dem Körper (ll) vorgesehen sind, wodurch das Bauelement als optischer Modulator arbeitet.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (ll) ein Lithiumniobatsubstrat umfaßt·
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (ll) ein Lithiumtantalatsubstrat umfaßt.
8. Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauelementes, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel nur an jenen Teil (19) eines dielektrischen Körpers (11), der einen Gradienten im Brechungsindex besitzt und optische Energie in einer Vielzahl Übertragungsmoden zu führen vermag, optisch angekoppelt sind durch welchen optische Energie im wesentlichen in nur einem ausgewählten der Moden übertragen wird.

509884/10 19'