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WO1996024080A2 - Kompakte optisch-optische schalter und wellenlängen-konverter mittels multimode-interferenz moden-konvertern - Google Patents

Kompakte optisch-optische schalter und wellenlängen-konverter mittels multimode-interferenz moden-konvertern Download PDF

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WO1996024080A2
WO1996024080A2 PCT/CH1996/000035 CH9600035W WO9624080A2 WO 1996024080 A2 WO1996024080 A2 WO 1996024080A2 CH 9600035 W CH9600035 W CH 9600035W WO 9624080 A2 WO9624080 A2 WO 9624080A2
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WO
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mode
mmi
optical
modes
mzi
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Application number
PCT/CH1996/000035
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English (en)
French (fr)
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WO1996024080A3 (de
Inventor
Jürg LEUTHOLD
Pierre-André Besse
Maurus Bachmann
Original Assignee
Leuthold Juerg
Besse Pierre Andre
Maurus Bachmann
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Filing date
Publication date
Application filed by Leuthold Juerg, Besse Pierre Andre, Maurus Bachmann filed Critical Leuthold Juerg
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Priority to US08/875,714 priority patent/US5933554A/en
Priority to DE59610596T priority patent/DE59610596D1/de
Priority to EP96900818A priority patent/EP0817980B1/de
Publication of WO1996024080A2 publication Critical patent/WO1996024080A2/de
Publication of WO1996024080A3 publication Critical patent/WO1996024080A3/de

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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
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    • G02F1/212—Mach-Zehnder type
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    • G02F1/217—Multimode interference type

Definitions

  • the invention is in the field of integrated optics and telecommunications.
  • the invention relates to compact optical-optical switches and wavelength converters with good on-off switching ratios.
  • Optical-optical switches work with at least two optical signals.
  • new multimode interference (MMI) couplers are used, which can convert at least one signal into a higher-order mode and can superpose another signal as the basic mode with the first signals.
  • MMIs are very compact.
  • optical signals are transmitted via fiber optic cables.
  • Optical signal processing often takes place on integrated optical chips. These chips are e.g. from polymers, thin films of semiconductor materials, glass-containing materials,. . .. The light is guided in waveguides on these chips [1]. Only light that meets the boundary conditions of the waveguide and the Maxwell equations is guided. The various allowed, discrete states of light in the waveguide are called optical modes. Depending on the geometry of the intensity distribution and the phase distribution within the mode, this is assigned a different order. One speaks of basic fashions, fashions of the first order,. . ..
  • MMI Interferometer
  • Mode converters convert basic modes into higher order modes and at the same time allow the superposition of the higher order mode with another basic mode.
  • Mode converters are used as adiabatic antisymmetric trical Y-unifiers [6] in 2x2 digital-optical switches [7] and in Mach-Zehnder
  • phase modulation depending on whether the control If the signal is present or not, the phase of the input signal is modulated in the MZI, since the phase is only shifted on an interferometer arm the configuration must always contain an As m-met ⁇ e [9]
  • Optical-optical switch with a signal output for switching on and off [11]
  • the input signal is fed symmetrically to the MZI with the non-linear section, whereas the control signal is fed asymmetrically to an arm of the MZI using a light mixer by means of adiabatic asymmetrical Y-branches in a fashion first
  • Another problem concerns the charge recombination time. This limits the switching speed of the optical-optical switches.
  • a strong control signal can reduce the charge carriers in a nonlinear area of an MZI arm so much that the nonlinear area in the subsequent signal still has a reduced charge carrier concentration and switches back to the basic state only poorly.
  • This problem can be avoided by introducing a time-shifted second control signal into the other arm, so that the non-linear areas are emptied symmetrically. Instead of temporally shifting the control signal, the 2 nonlinear areas on the 2 MZI arms can be shifted locally, which has the same effect [12].
  • the task of coupling in the first order modes in optical-optical switches is achieved by means of new compact multimode interference couplers.
  • These MMIs allow mode conversion, reverse conversion and superposition with other modes or the mapping of modes of different orders onto common waveguides with different intensities.
  • the optical-optical switches can be operated as switches with 2 good on / off switching ratios, 2 asymmetries are introduced in the MZI configuration.
  • the two asymmetries are chosen so that one can control both the phase and the intensity in the MZI configuration.
  • the procedure is more general.
  • the proposed switches can be operated in a cascaded and bidirectional manner because one works with modes of different orders that can be easily separated from one another.
  • the usage A configuration with an 'inner' MZI allows the construction of cascadable, bidirectionally operable structures which do not use the above MMI Modes of different orders, which are resolved in succession through the same non-linear areas, making fast switching possible.
  • Fig. 1 example of an MMI used to generate a higher order mode.
  • Fig. 2 example of a general MMI structure. which serves to couple two modes onto the same waveguide and at the same time converts at least one mode to a higher order mode.
  • Example of an optical-optical switch with 2 possible outputs or wavelength converter which converts the control signal into a first order mode in an "MMI converter combiner" and simultaneously leads to a waveguide arm of the MZI.
  • FIG. 11 shows an example of an optical-optical switch with 1 output or a wavelength converter which works according to the principle of cross-phase modulation (XPM) and which allows the control signal to be coupled in and converted via converter-combiner-MMI .
  • This reflective MZI structure is also known as the MI configuration.
  • Fig. 12 Example of an XPM optical-optical switch with 2 possible outputs, which uses identical "Butterfly" MMI 131 and 132 as an asymmetrical mode coupler to couple the input signal B in and out. MMI converter combiners 133 and 137 are used to couple in the control signal.
  • FIG. 13 Example of an XPM optical / optical switch with 2 possible outputs, each of which has different outputs for coupling in and out the input signal B.
  • "Butterfly" MMIs used as asymmetrical mode couplers 141 and 142 and used to couple in the control signal MMI converter combiners 143 and 146.
  • 14 shows an example of coupling and converting the control signal into a first-order mode, into an XPM-optical-optical switch with 2 possible outputs, using a "3x3-MMI converter combiner", FIG. 4a).
  • Fig. 15 General XPM-Optical-Optical switch with 2 outputs with good on / off switching ratios.
  • the couplers 161 and 162 are "butterfly" MM1 with approximately reciprocal or identical partial ratios for the signal intensities.
  • the middle part 163 represents various construction options for the coupling and decoupling of the control signal, the nonlinear range and the phase shifters.
  • Fig. 16 XPM optical-optical switch with 2 outputs with improved on / off switching ratios.
  • the switches are characterized by 2 different sized nonlinear areas in the area 173 and 174.
  • the mode coupler 171 is a 1x2
  • MMI and the mode coupler 172 is a 2x2 MMI.
  • Fig. 17 Example of an optical-optical switch that uses only basic modes and consists of an "outer” MZI and “inner” MZI, so that the signal B and the control signal A are well separated at the output.
  • Fig. 18 XPM-optical-optical switch analogous to Fig. 17.
  • "Butterfly" MMI with approximately reciprocal or identical part ratios are used as mode couplers 171 and 172, so that it has good on / off distribution ratios.
  • 19 shows the compact optical-optical switch according to the invention, which only requires one coupler for the coupling in of the signal B and the control signal A and also only requires one coupler for the coupling out thereof.
  • Fig. 20 Example of an XPM optical / optical switch which splits an optical signal B into 2 components B 'and B "which are distinguishable by the order of the mode and which is shifted in time into the leads to non-linear region 417, so that the control signal can be transmitted in time so that only the second signal B "experiences the change in refractive index.
  • Fig. 21 Example of an XPM optical-optical switch analogous to Fig. 20, with 4x4
  • Mode divider component that serves to split one or more optical modes into several optical modes. Can generally also be used as a fashion combiner.
  • Phase relationship with one another on different output waveguides Can generally also be used as a mode divider.
  • Mode filter Components that map modes of different orders to different waveguides.
  • Control signal optical signal that is strong enough to produce a change in refractive index in a nonlinear material that can noticeably change the phase of another signal. Depending on the situation, the control signal can also be interpreted as a data signal.
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • MI Michelson interferometer
  • Mapping input waveguide with good on / off switching ratios on 2 outputs are also suitable for mapping signals from 2 inputs with a good on / off switching ratio to 1 output. For this you could e.g. operate the switch in reverse or use a switch with 2 input waveguides.
  • Multi-mode interferometers have the following components (FIG. 1):
  • an interference part 19 (the MMI itself)
  • the converted mode (higher order mode) has two features that are for a generation of the same are essential:
  • the converted mode has a characteristic intensity profile.
  • the converted mode has a characteristic phase image.
  • the task of coupling two or more modes from different inputs into the same output waveguide can be achieved with a simultaneous mode conversion of at least one mode using MMIs. So it is e.g. possible to map a basic mode from input 21 of FIG. 2 in a first order mode to output 23 and to map another basic mode from input 22 as basic mode to the same output 23.
  • the position of the waveguide input for the optical mode to be converted is at the edge of the MMI input.
  • FIG. 3 An example of such an "MMI converter” is given in FIG. 3.
  • the mode to be converted (here, for example, a basic mode A) is coupled into the MMI at the waveguide input.
  • This MMI allows an optical basic mode A to (3AT-2) / 2 respectively
  • a fourth mode D which is also mapped to a first-order mode, can also be mapped to these overlapping K outputs via a separate input. Its conversion efficiency on these overlapping K outputs is also almost 66%.
  • the geometry of the MMI is determined by specifying the positions of the waveguide inputs on the MMI and the MMI geometry itself.
  • a freely selectable MMI width W for example for a rectangular MMI there is a length that corresponds to that of the (3K) x (3K) -MMI according to [M. Bachmann, PA Besse, and H. Melchior, "General self-imaging properties in NxN multimode interference couplers including phase relations", Applied where K is an integer constant, n is the effective real refractive index.
  • W gives the width of the MMI, whereby width is understood to mean the geometric width including the depth of penetration of the modes in the MMI into the neighboring material and finally ⁇ is the vacuum wavelength.
  • the under Eq. 1 given length varies if you deviate from the rectangular MMI shape.
  • the waveguide inputs (41) of mode A, which leads the basic mode A which to be converted is located on the lower and / or on the upper edge of the MMI.
  • the MMI also serves as a mode divider, both for the basic mode A to the first-order modes and for the basic mode B in its basic modes.
  • the 'General (4K) x (4K) -MMI converter combiner' enables splitting and overlapping to exactly K MMI outputs.
  • the conversion efficiency of the basic mode A in modes of the first order on the K outputs on which an overlap is possible is theoretically almost 50%. That of basic mode B on the K outputs is theoretically 100%.
  • the MMI has another advantageous property.
  • a third mode D which is also mapped to a first order mode, can also be mapped to these overlapping AT outputs via a separate input. Its conversion efficiency on these overlapping K outputs is also 50%.
  • the geometry of the MMI is determined by specifying the positions of the waveguide inputs on the MMI and the MMI geometry itself.
  • the waveguide inputs of modes A and D are in the immediate vicinity of the MMI longitudinal edges.
  • the position of the freely selectable parameter a once again determines the intensity distribution of the first order mode.
  • the position of the waveguide input for mode B is at a distance of W / 2 from the MMI longitudinal edge.
  • This component allows an optical basic mode A to be mapped as a first-order mode to K waveguide outputs.
  • the conversion efficiency for converting to first-order modes is almost 100%. If you only use this one input, this component serves as a highly efficient mode converter and divider.
  • this component enables another optical basic mode B to split into K basic modes in waveguides at the MMI output and to overlap them with the aforementioned K modes of the first order.
  • 3 things are once again realized in a single component: 1.) Conversion of a basic mode A into K modes of the first order. 2.) Superimposition of the modes of the first order with the images of a second basic mode B.
  • the MMI also serves as a mode divider, both for the basic mode A on the K modes of the first order and for the basic mode B on its K basic modes.
  • the conversion efficiency is almost 100% both for input mode A to the converted K modes of the first order and for input mode B to the K basic modes.
  • the component at the input for mode A to be converted consists of the following components: A mode divider 50:50 with 2 waveguide outputs 63. This could be, for example, a 1x2 MMI, symmetrical Y divider. , , his.
  • a phase shifter 64 On one of the two there is a phase shifter 64. It is immaterial how the phase shifter is implemented. So it could be an active or passive phase shifter. An example of a passive phase shifter would be, for example, two concentric waveguide circles with different radii.
  • the phase shift to be generated of the mode on one waveguide 66 compared to the mode on the other waveguide 65 is 180 ° for odd numbers K and 0 ° for even numbers K.
  • FIG. 7 A further realization of such a '(1 + 1) xK MMI converter combiner ' variant 2 with K waveguide outputs is given in FIG. 7.
  • This component offers the same possibilities and performance features as the variant 1 just described. It differs only in its structure: Basic mode A at input 71 is in a 2x2 MMI of length [M. Bachmann, PA Besse, and H. Melchior, "General self-imaging properties in NxN multimode interference couplers including phase relations", Applied Optics vol 33. pp. 3905-3911, July 1994]: depicted in two fashions. After the 2x2 MMI, the two modes are carried on waveguides 75 and 76.
  • a phase shifter 74 follows and ensures that there is a total phase difference of 180 ° for odd K between the two modes in the waveguides, or a total phase shift of 0 ° for even K. 7, the two waveguides are guided into the 'General (4K) x (4K) -MMI converter combiners' 69 and split there into K modes of the first order.
  • the basic mode B is coupled in the middle of the 2x2 MMI 77 and is unchanged again in the middle of the 2x2 MMI output.
  • Basic mode B is routed via a waveguide 77 to the middle of the input side of the 'General (4K.x (4K) -MMI converter combiner' 69 and from there to K basic fashion shown.
  • the above MMI structures can be used as mode filters. If only the middle waveguide input 52 is used with the 'General (4K) x (4K) -MMI converter combiner ' from FIG. 5, symmetrical modes (for example the
  • the antisymmetric modes (e.g. the first order modes) are also split, but to other MMI outputs. This enables a breakdown into symmetrical and anti-symmetrical modes.
  • MMI structures are given which enable a symmetrical (eg basic mode) and an anti-symmetrical mode (eg a first order mode) with different intensities to be mapped onto K output waveguides.
  • inputs and outputs are given as examples in FIG. If one chooses any positions / ' and. ' For the inputs of the symmetrical and the antisymmetric mode. " , so very different partial ratios are obtained at the outputs for the two modes. Variations in the geometry of the MMI can lead to different partial ratios.
  • the converter-combiner MMIs have applications in various areas of integrated optics.
  • the application discussed below in optical-optical switches is only one application among many.
  • the converter is described and ways of executing it are shown.
  • the switches are being developed in such a way that they map 1 input to 2 outputs with good on / off switching ratios.
  • FIG. 10 shows an example of an optical-optical switch with 2 possible outputs, which works on the principle of cross-phase modulation (XPM) and allows the coupling and conversion of the control signal via MMI.
  • XPM cross-phase modulation
  • a mode divider 111 if the component is operated forward, or 112 if the component is operated in the opposite direction, which splits an optical input signal B between the 2 different arms of the MZI configuration.
  • the number of inputs in the mode divider can be arbitrary, it is only important that the input signal is mapped onto the waveguide arms in a certain ratio.
  • a mode combiner 112 or 111 which combines the input signal and, depending on the phase relationship and shares in the two MZI arms, in one
  • An active or passive phase shifter 115 and / or 119 can be placed anywhere on the MZI arms.
  • An example of a passive phase shifter would be 2 MZI arms of different lengths.
  • Semiconductor amplifiers can also be used as phase shifters. However, these must then be placed appropriately.
  • the semiconductor amplifier 115 would have to be arranged between the components 116 and 112 or between 111 and 113.
  • the control signal is coupled directly into one of the MZI arms 5 or 6 in the switch just outlined.
  • the optical control signal is coupled in via an "MMI converter combiner" 113 and or 117.
  • the basic mode of the optical control signal A is converted into a first order mode and at the same time combined with the optical input signal B. This is an "MMI converter combiner" according to the text relating to FIGS. 2, 4, 5, 6, 7,
  • the optical control signal is coupled out again in components 116 and / or 120.
  • the control signal could e.g. can be decoupled again in a "1 + lxl -MMI converter combiner” operated in reverse, and separated from the input signal or decoupled in an MMI filter.
  • Another possibility would be to use components 116 and / or 120 to couple in a different optical signal (e.g. another control signal, pump signal, ).
  • the component sketched in FIG. 10 can be operated as a switch with 2 outputs. Inputs 1 and 4 or, conversely, inputs 8 and 9 can be used as possible inputs for the optical control signal.
  • the optical input signal can be operated via the inputs on the left or the right side, depending on the choice of the mode dividers 111 and combiners 112.
  • the component can be used as a wavelength converter when the optical control signal A of the wavelength ⁇ j corresponds to an optical signal B of the wavelength ⁇ 2 on one of the outputs.
  • the possibility of decoupling the control signal at a separate output or strongly suppressing it at the output of signal B allows the component to be cascaded and / or operated bidirectionally.
  • Fig. 1 1 is an example of an optical-optical switch or wavelength converter with 1 possible output, which works on the principle of cross-phase modulation (XPM) and allows the coupling and conversion of the control signal via MMI , outlined. It consists of:
  • a mode coupler 121 which distributes an optical input signal B to the 2 different arms of the MZI configuration.
  • the number of inputs in the coupler can be arbitrary, it is only important that the input signal is in one certain ratio is mapped to the two waveguide arms
  • At least one component 122 and / or 125 which allows an optical control signal to be coupled
  • Non-linear material 124 or / and 127 At least one or two areas with non-linear material 124 or / and 127. Depending on whether the optical control signal A is present or not, a phase shift is generated on the signal B in this area.
  • the non-linear material can be placed anywhere on the interferometer arm
  • An active or passive phase shifter 123 and or 126 can be placed anywhere on the MZI arms.
  • the control signal is coupled directly to one of the MZI arms 5 or 6.
  • the optical control signal is sent via an "MMI converter combiner "122 and / or 126 coupled in.
  • the basic mode of the optical control signal A is converted into a first order mode and at the same time combined with the optical input signal.
  • This is an "MMI converter combiner" according to FIG. 2, 4, 5, 6, 7, 8 or 9. Both the input signal and the control signal are transmitted to the reflecting line Layer reflected back Depending on the choice of the MMI 122 and / or 125, the control signal is completely or partially coupled out again.
  • the reflected input signal from the waveguide arms 5 and 6 is fed to the mode divider combiner and combined depending on the phase relationship in the Waveguide arms 5 and 6, the input signal is routed to an output different from the waveguide input
  • This reflective MZI structure is also referred to as the MI configuration.
  • the component sketched in FIG. 2 can be operated as a switch with 1 output.
  • Inputs 1 and 4 can be considered as possible inputs for the optical control signal.
  • the optical input signal can be via the input 2 or 3 are introduced
  • the component can be used as a wave position converter when the optical control signal A of the wavelength ⁇ j corresponds to an optical signal B of the wavelength ⁇ on one of the outputs
  • a phase shift ⁇ ] and an intensity ratio pl between the input signals on the two MZI arms include a certain switching state on an output. If you change the phase shift to ⁇ 2 and the intensity ratio to p2, the input signal is routed to the second output.
  • the control signal for example on the MZI arm 5, switches the
  • Phase of the input signal in the area of the nonlinear medium changed.
  • a phase change usually also leads to a change in intensity of the same signal.
  • the Kramers-Kronig relation (KK) describes this connection.
  • the control signal changes 2 characteristic quantities of the input signal on the MZI arm 5: the phase and the intensity.
  • the switch with mode dividers and combinations that deviate from the 50:50 division ratio allows these 2 sizes to be controlled: 1.) by selecting the intensity of the control signal, a phase shift from ⁇ j to ⁇ is made on a waveguide arm in the input signal 2 induced as a function of the intensity of the control signal.
  • phase shift ⁇ j induced in the input signal on MZI arm 5 is accompanied by a change in intensity ⁇ I in the input signal on the same waveguide arm of the MZI according to Kramers-Kronig (KK).
  • KK Kramers-Kronig
  • the task of obtaining an optical-optical switch with 1 possible good output can be achieved with the switch or wavelength converter given in FIG. 11 and the choice of a mode coupler 121 which differs from the 50:50 division ratio. As with the switch with 2 possible outputs, this mode coupler 121 allows the 2 sizes that occur in an XPM switch to be checked.
  • the task of obtaining an optical-optical switch with 2 outputs with good on-off switching ratios can be achieved with the switch or wavelength converter given in the text for FIG. 10 and the choice of asymmetrical mode couplers 11 1 and 112. Thanks to the freedom of choice of dividers and unions with different division ratios, the switches can be designed such that the phase shifter to achieve the switching state is superfluous, since the second asymmetrical combiner 112 can be adapted to the phase relationships.
  • “Butterfly” MMI's [P.A. Besse, et al., ECOC 1994, Sept 25-29 1994, p.669-67, Firenze]. They offer different dividing ratios as a divider and a few. It is possible to select two different "butterfly" MMIs as the divider combiner 1 1 1 and combiner / divider 112, so that the switch can be constructed in such a way that the phase shifter to achieve the switching state becomes superfluous, since the second asymmetrical combiner / Divider 1 12 can adapt to the phase relationships.
  • FIG. 12 shows an example of an XPM optical / optical switch with 2 possible outputs, the identical "Butterf] y" MMI for coupling in and out the input signal B, as an asymmetrical mode coupler and for coupling in the control signal "MMI converter combiner" used.
  • "Butterfly” MMIs that have 2 inputs and outputs, for example, can be used as a mode coupler. The choice of the intensity of the control signal and the asymmetry in the mode couplers allows the two switching states to be optimized.
  • Input 3 we use the phase shifts ⁇ 2 'and ⁇ 2 "accordingly, whereby we again refer to the shift of MZI arm 6 compared to that on MZI arm 5 In principle, the phase differences of arm 6 are always calculated relative to arm 5 ⁇ , is the necessary offset phase shift.
  • ⁇ 2 is the phase shift generated by the control signal
  • the two signals on the two MZI arms have a phase shift of ⁇ relative to one another, so that these two signals on the MZI arms 5 and 6 at the "Butterfly" MMI combiner 132.
  • the one with the "Butterfly "-MMI 131 is structurally identical, to be combined again into a single signal at output 8, the signals must still have the intensity ratio pl and the phase relationship
  • the control signal which we couple into the MZI arm 6, for example, also makes this necessary The required phase shift ⁇ 2 is generated on the MZI arm 6.
  • FIG. 13 shows the example of an XPM optical / optical switch with 2 possible outputs, which uses different "butterfly" MMIs, as asymmetrical mode divider / cleaner 141 and combiner / divider 142, for coupling the input signal B in and out used for coupling the control signal "MMI converter combiner” 143 and 146. Thanks to the freedom of choice of divider and union with different division ratios, the switches can be constructed in such a way that the phase shifter 135 and 139, as was still required in FIG. 12, becomes superfluous to achieve the switching states, since the second asym ⁇ metric combiner / divider 142 can adapt to the phase relationships.
  • control signal can be coupled out again in an additional component 145 and / or 148, filtered out or left in the MZI arm 5 and / or 6.
  • the decoupling is advantageously carried out using the "MMI converter combiners" given in FIG. 2, 4, 5, 6, 7, 8 or 9.
  • MMIs essentially consist of a broadened waveguide in which interference effects are possible.
  • a "butterfly” MMI with a narrowing in the middle could be used for the "Butterfiy” MMI 141.
  • the corresponding "butterfly” MMI 142 would then be a “butterfly” MMI with a reciprocal division ratio of 1 / pl. This should then become wider in the middle.
  • the "3x3 MMI converter connector" (FIG. 4a) is particularly suitable for coupling the control signal into an XPM optical / optical switch with 2 good outputs.
  • This component is extremely short and has a large wavelength bandwidth.
  • the MMI is invisible for the input signal B, since almost 100% of it is mapped to the output.
  • the control signal is mapped into the MZI arm as a first-order mode with a conversion efficiency of almost 66%.
  • 14 shows an example of an XPM-optical-optical switch with 2 possible outputs, which, for coupling the input signal B in and out, has different "butterfly" MMIs, as asymmetrical mode dividers 151 and combiners 152, as in the text for FIG 13 described, used.
  • control signal can be coupled out in an additional component 155 and / or 158, filtered out or left in the MZI arm 5 and / or 6.
  • Optical-optical switches with 2 outputs with good on / off switching ratios can be achieved using the method given in the text for FIGS. 12 or 13.
  • the way in which signal B is coupled into and out of the MZI configuration is important for the education of the good on / off switching conditions.
  • the structure of the MZI arms themselves, the middle part, can deviate from the variant described in the text for FIG. 12 or FIG. 13.
  • Fig. 15 there is an optical-optical switch with 2 outputs with good on / off switching ratios.
  • the area with the couplers 161 and 162 follows the structure according to the text of FIG. 12 or FIG. 13.
  • the middle part 163 which represents several different components, is used for coupling out a control signal and for producing the nonlinear effect - possibly also for other functions.
  • MMI converter combiner but also any other coupler can be used. This could e.g. 2x2-MMI, "3dB-Directional-Coupler", asymmetrical Y-union, ...
  • the control signal could also be coupled in as the basic mode. However, it is necessary that in 163 there is at least one area with a nonlinear material.
  • the on / off switching ratios in an XPM switch, Fig. 16, can also be achieved by attaching 2 differently strong or large nonlinear areas (e.g. apply different currents if the nonlinear medium consists of semiconductor amplifiers, ...) that are within range 173 and 174 are improved.
  • 173 and 174 represent the MZI arms, which are both elements for the Ein- and possibly. Decoupling the control signal (s) A, as well as the non-linear medium and possibly phase shifters. Assuming the control signal produces an intensity change of ⁇ 7 on the input signal on an MZI arm, for example. Arm 5, you can choose the strength of the two nonlinear media so that if there is no control signal, the input signal on arm 5 is approximately ⁇ 7 / 2 greater than on arm 6.
  • the general procedure is illustrated in FIG. 17.
  • the signal B is e.g. at the
  • the couplers 211 and 212 form a Mach-Zehnder Interferometer (MZI), here referred to as the "outer" MZI.
  • MZI Mach-Zehnder Interferometer
  • the division ratios in the couplers 211 and 212 are adapted. This adjustment was explained in detail above.
  • the control signal A is coupled into an arm of the MZI. To distinguish this signal from signal B, the arm is built as a second MZI, called the “inner” MZI. This is based on the mode mixer 213 and the demixer 216. 213 and 216 are mode couplers with symmetrical division ratios.
  • phase shifter 215a is selected so that the "inner" MZI is in the bar state, ie input 1 goes to output 7.
  • the "inner” MZI always remains in this bar state, regardless of whether the control signal is coupled or not.
  • the phase shifter 219 is selected without a control signal so that the probe signal comes out on one of the outputs 8 or 9.
  • Another phase shifter could also be installed between the mode coupler 216 and 212.
  • the control signal causes an intensity and phase change between the "inner” MZI and the arm 6.
  • the change in intensity can be compensated for by the choice of the division ratios of 211 and 212 (text for FIG. 15) or the appropriate choice of modes. Couplers 211 and 212 with differently strong non-linear areas on the MZI arms of the "outer" MZI (text for Fig. 16).
  • phase change causes signal B to be switched between outputs 8 and 9.
  • a second "inner" MZI can be used on arm 6.
  • the entire component can act as a purely optical non-linear Ix2 switch with good on / off switching ratios. It can be cascaded, since both the signal B and the control signal A can be used again in other components or are at least relatively well separated. Signal A and B can then again as a signal or as
  • Control signal are needed. Both the signal B and the control signal A can be coupled in in the opposite direction, so that the switch can be used bidirectionally.
  • the mode forms of signal B and control signal A are shown on all figures.
  • the control signal is drawn in white.
  • the signal B is black or dotted (at the output 9). All connection waveguides contain only basic modes.
  • FIG. 18 An example of a construction of the optical-optical switch of FIG. 17 is given in FIG. 18.
  • mode couplers 223, 226, 227 and 230 for the "inner” MZI 2x2-MMI with 50:50 division ratios used.
  • "Butterfly" MMIs are used for the mode couplers 221 and 222. If no or only small changes in intensity occur, normal MMIs with a rectangular geometry and symmetrical division ratios are used. The division ratios are selected in accordance with the text of FIG. 15. In order to simplify the construction, one could construct the “inner” MZI in this way (eg.,
  • phase shifters Place “inner” -MZI on arcs) that a path difference that corresponds to a ⁇ phase shift between the MZI arms results.
  • the phase shifters would then be superfluous. However, it can be an advantage if you still incorporate phase shifters to correct technology-related or design-related phase shifts.
  • a compact XPM optical / optical switch consisting of only a few components is described below.
  • the signal B can be divided and the control signal A can be coupled in by a single component, namely by the multi-mode interference MMI mode coupler of FIG. 5a).
  • the same MMI allows the signal B to be combined and the control signal to be decoupled.
  • the middle input 302, the middle connection waveguide 308 and the middle output 305 are placed in the center of both MMI 311 and 312. These waveguides should be so wide that they can carry first order modes.
  • the outer inputs 301, 303, the outer connecting waveguides 307, 309 and the outer outputs 304, 306 are positioned flush or at least almost flush on the MMI edge.
  • Signal B is introduced in an input at the very edge of the input MMI.
  • the signal B splits into two basic modes, which are guided in the waveguides 307 and 309 and a first-order mode which is guided in the waveguide 308.
  • the phases must be adapted at the input of the second MMI. This can be done passively or actively with phase shifters 316, 317 and 318. For example, the following condition can be met passively by different lengths of the connecting waveguide: at the input of the second MMI, the outer connecting waveguides have a phase difference of ⁇ ⁇ / 2 compared to the inner connecting waveguides. Without a control signal, the light comes out in one of the outer outputs. If the control signal A is switched on.
  • signal B switches from an outer output waveguide to to change.
  • the component can be operated bidirectionally both for the control signal A and for the signal B.
  • the component can be cascaded because signals A and B are separated.
  • the problem of slow charge recombination time can e.g. can be solved by introducing a second, time-shifted optical control signal into the second MZI or MI arm.
  • the 2 non-linear areas can be shifted against each other locally and instead the control signals can be sent simultaneously to the two MZI arms.
  • All of the switches according to the invention discussed above can be operated in this way.
  • the following are examples of switches that solve this problem differently. Namely, by leading the optical signals to the same non-linear area with a time shift.
  • the switches can be constructed independently of polarization. They are particularly suitable as multiplexers, demulite plexers or also for generating short pulses.
  • Fig. 20 shows an example of an XPM optical-optical switch which a
  • Signal B in FIG. 2 splits components B 'and B "which are distinguishable by the order of the mode and leads to the non-linear region 417 at different times.
  • the arrangement consists of two mode couplers 41 1 and 412, which form the MZI. This could, for example, be an MZI -Configuration according to the text of Fig. 15 (with 2 inputs) or Fig. 16 (with only one input 401). There are 2 areas where the
  • waveguides 405d- The control signal could also be coupled in as a basic mode with a suitably chosen coupler on the waveguide arm 405.
  • phase shifter 419a and d 419b and signal amplifier placed somewhere between coupler 416 and 412.
  • Waveguides do not necessarily see the same refractive indices. How the switch works: If no control signal is coupled into 417 after passing the first signal B ', the subsequent signal B "does not experience an additional phase shift. If, on the other hand, before the signal B" or while B “in 417 is on Control signal is present, B “undergoes a phase shift. This causes the signal B to switch from one output waveguide to the other. Depending on the arrangement of the components, the switch can be operated on both sides. Additional components can be placed in the area of the waveguide 405.
  • FIG. 21 shows a possible implementation of the method of FIG. 20.
  • the signals are separated in time and fed back to one another by means of curves and different radii and possibly a translation of 403 or 429a compared to 404 or 429b.
  • Couplers 425 and 426 are 4x4 converter combiner MMIs (Fig. 5a). This choice makes it possible to map the signal from waveguide 404 to almost 100% on waveguide 406 and the control signal to waveguide 402 to almost 100% on 408.
  • the active or passive phase shifters 428a-c can be used to correctly set the phases on the 3 waveguides.
  • 429a and b are additional useful but not necessary phase shifters.
  • Signal amplifiers 430a and b are useful but not essential.
  • the control signal A leads to a phase and charge carrier change in all 3 nonlinear areas. However, only the one on the non-linear area 427b is important for the signal B ". Depending on how strong this phase change was, the signal is switched from output 409a to output 409b and vice versa.
  • the non-linear areas 427a-c do not have to have the same geometry.
  • the optically controlled switches according to the text of FIGS. 15 and 16 with good on / off switching ratios can also be operated as electrically controlled switches. 22 and 23, the inputs and outputs and the couplers for the optical control signal are omitted.
  • the MZI is constructed according to the method of FIG. 15 and or FIG. 16.
  • Semiconductor amplifiers 513, 514, 523 and 524 are used as non-linear areas. The change in refractive index and intensity is now determined by applying a modulable current to one of the nonlinear regions, e.g. B. 513 and 523 respectively. The other non-linear area is fed with a constant current.

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Abstract

Neue, kompakte, mit guten Toleranzen herstellbare Optisch-Optische Schalter und/oder Wellenlängen-Konverter, die alle oder einige der folgenden Eigenschaften aufweisen: kompakt, gute On/Off-Schaltverhältnisse, Kaskadierbarkeit und bidirektionaler Betrieb möglich, polarisations-unabhängig realisierbar, sehr schnelles Schalten möglich, werden entwickelt. Dazu sind Bauteile zu entwickeln, die Gebrauch von verschiedenen Ordnungsmoden machen, um das Informations-Signal und das Kontroll-Signal zu mischen oder voneinander zu trennen. Die erfindungsgemässen kompakten Converter-Combiner-MMIs ermöglichen: 1) Konversion eines ersten Grundmode in Moden erster Ordnung; 2) Überlagerung der Moden erster Ordnung mit den Bildern eines zweiten Grundmode; 3) das MMI dient gleichzeitig als Moden-Teiler für die beteiligten Moden. Die Rückkonversion der generierten Moden höherer Ordnung auf ihre Ausgangsmoden ist ebenfalls möglich. Weil das Kontroll-Signal nicht nur eine Phasenänderung, sondern auch eine Intensitätsänderung am Eingangssignal erzeugt, sind Massnahmen zur Erreichung von guten On/Off-Schaltverhältnissen an den Ausgängen zu treffen. Das Problem der guten On/Off-Schaltverhältnisse wird durch die Verwendung von geeigneten Moden-Kopplern mit variablen Teilverhältnissen gelöst werden. Es wird auf ein alternatives Verfahren für Optisch-Optische Schalter und Wellenlängen-Konverter hingewiesen, die von den erfindungsgemässen optischen Mode-Konvertern keinen Gebrauch machen, aber dennoch einige oder alle obiger Eigenschaften aufweisen.

Description

Kompakte Optisch-Optische Schalter und Wellenlängen-Konverter mittels
Multimode-Interferenz Moden-Konvertern
Technisches Gebiet
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der integrierten Optik und der Telekom- munikation. Die Erfindung betrifft kompakte Optisch-Optische Schalter und Wellen¬ längen-Konverter mit guten On Off-Schaltverhältnissen. Optisch-Optische Schalter arbeiten mit mindestens zwei optischen Signalen. Zur Einkopplung von denselben werden neue Multimode-Interferenz (MMI) Koppler angewendet, die mindestens ein Signal in einen Moden höherer Ordnung konvertieren können und ein anderes Signal als Grundmode mit den ersten Signalen superponieren können. Diese MMIs sind sehr kompakt.
Stand der Technik
In der optischen Telekommunikation werden optische Signale via Glasfaser- kabel übermittelt. Die optische Signalverarbeitung findet häufig auf integriert optischen Chips statt. Diese Chips bestehen z.B. aus Polymeren, dünnen Filmen von Halbleitermaterialien, glashaltigen Materialien, . . .. Auf diesen Chips wird das Licht in Wellenleitern geführt [1]. Nur jenes Licht, das auch die Randbedingungen des Wellenleiters und die Maxwell-Gleichungen erfüllt, wird geführt. Man bezeichnet die verschiedenen erlaubten, diskreten Zustände des Lichts im Wellenleiter als optische Moden. Je nach der Geometrie der Intensitätsverteilung und der Phasenverteilung innerhalb des Mode ordnet man diesem eine andere Ordnung zu. Man spricht von Grundmoden, Moden erster Ordnung, . . ..
Eine Klasse von Wellenleiterstrukturen ist unter dem Namen Mul i-Mode-
Interferometer (MMI) bekannt. Diese MMIs bieten in Bezug auf die optische Signal¬ verarbeitung viele Möglichkeiten. Unter anderem werden MMIs als optische Licht¬ teiler und -Kombinierer [2], als Lichtteiler mit variablen Teilverhältnissen, sogenannten "Butterfly"-MMIs [3], und als "Multileg"-MMIs [4] angewendet.
Neue Anwendungen in der integrierten Optik machen von Moden höherer Ordnung Gebrauch. Modenkonverter wandeln Grundmoden in Moden höherer Ordnung um und erlauben zugleich die Superposition des Mode höherer Ordnung mit einem weiteren Grundmode. Modenkonverter werden als adiabatische antisymme- trische Y- Vereiniger [6] in 2x2 Digital-Optischen Schaltern [7] und in Mach-Zehnder
Interferometern (MZI) [6] verwendet
Moden höherer Ordnung haben auch attraktive Anwendungen in schnellen optischen Schaltern und Wellenlängen-Konvertern und zwar in sogenannten optisch¬ optischen Bauteilen Im speziellen wurde bereits gezeigt, dass Kreuz-Phasen-Modu- herte (XPM) Optisch-Optische Schalter und Wellenlangenkonverter Schaltzyklen weit über 1 GBit [8] ermöglichen Dabei werden zwei optische Signale (deshalb Op¬ tisch-Optisch) benotigt Auf der einen Seite das zu schaltende Emgangs-Signal im Schalter respektive das Signal mit der Zielwellenlange im Konverter und auf der an¬ dern Seite ein optisches Kontroll-Signal, das den Takt gibt Diese Signale werden auf ein Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) oder Michelson-Interferometer (MI) gefuhrt, das zur Phasenmodulation nichtlineare Materialien (z B Halbleiterlaser- Verstarker, etc ) enthalt Je nachdem, ob das Kontroll-Signal anwesend ist oder nicht, wird im MZI die Phase des Eingangssignals moduliert Da die Phase nur auf einem Interfero- meter-Arm verschoben werden soll, muss die Konfiguration grundsätzlich eine As m- metπe enthalten [9]
Verschiedene Losungsansatze zur Erzeugung dieser Asymmetrie wurden vorge¬ schlagen Nebst andern wurden folgende Bauteile demonstriert oder vorgeschlagen
- Wellenlängen-Konverter mit asymmetrischer Aufspaltung des Eingangssignals in das MZI [ 10] Als Signal-Teiler wurden dabei sogenannte "Directional Coup- lers" verwendet
- Optisch-Optischer Schalter mit einem Signalausgang zum An- und Abschalten [ 11] Das Eingangssignal wird symmetrisch auf das MZI mit dem nichtlinearen Teilstuck gefuhrt, hingegen wird das Kontroll-Signal asymmetrisch mittels eines Lichtmischers auf einen Arm des MZI gefuhrt Das Kontroll Signal wurde dabei mittels adiabatischen asymmetrischen Y- Verzweigungen in einen Mode erster
Ordnung (Mode höherer Ordnung) konvertiert
Die Ideen auf denen diese Bauteile beruhen sind sehr vielversprechend Lei¬ der aber weisen sowohl die Bauteile zur Erzeugung des Mode höherer Ordnung als auch die optisch-optischen Komponenten einige ungunstige Eigenschaften auf - Obwohl die Konversion in einen Mode höherer Ordnung und die gleichzeitige
Superposition mit einem weiteren optischen Signal mittels adiabatischen anti- symmetπschen Y-Vereinigern recht gut funktioniert, befriedigen die grosse Lange und die Tatsache, dass die Fabrikations-Toleranzen kritisch sind nicht - Ferner wäre es wünschenswert, wenn man Schalter mit guten On/Off-Schaltver- hältnisse hätte. Gerade dazu eignen sich die obigen Strukturen nicht, weil sie die
Intensitätsänderung, die mit dem Phasenshift einhergeht nicht berücksichtigen. Diese Intensitätsänderung führt aber, wenn man sie nicht berücksichtigt zu schlechten Schaltzuständen, d. h. zu schlechten On/Off-Schaltverhältnissen auf mindestens 1 der beiden Ausgänge. - Da obige Schalter das Kontroll- und das Datensignal am Ein- oder auch Aus ¬ gang nicht auf verschiedenen Wellenleitern führen, lassen sich die Bauteile nur schlecht auf einem einzigen Chip kaskadieren. Auch ein Bidirectionaler Betrieb ist schwierig, weil das Kontroll-Signal einen Ausgang des Schalters stört. - Es gibt Anwendungen, wo kompakte Optisch-Optische Schalter benötigt wer- den. Neue kürzere Konfigurationen wären nützlich.
Ein weiteres Problem betrifft die Ladungsträger-Rekombinationszeit. Diese limitiert die Schaltgeschwindigkeit der Optisch-Optischen Schalter. Ein starkes Kontroll-Signal kann die Ladungsträger in einem nichtlinearen Bereich eines MZI- Arm so stark reduzieren, dass der nichtlineare Bereich beim nachfolgenden Signal noch eine reduzierte Ladungsträgerkonzentration hat und nur schlecht in den Grund¬ zustand zurückschaltet. Dieses Problem kann umgangen werden durch das Einführen eines zeitlich versetzten zweiten Kontroll-Signals in den andern Arm, so dass die nichtlinearen Bereiche symmetrisch entleert werden. Anstatt das Kontroll-Signal zeitlich zu versetzen kann man auch die 2 nichtlinearen Bereiche auf den 2 MZI- Armen gegeneineander örtlich versetzen, was den gleichen Effekt hat [12]. Falls es jedoch gelingt, die beiden Signale einer MZI-Konfiguration zeitlich verschoben auf den gleichen nichtlinearen Bereich zu führen und mit dem Kontroll- Signal bevor das zweite Signal oder während das zweite Signal im nichtlinearen Bereich ist zu schalten, und danach wieder zu trennen und zur Interferenz zu bringen, so erübrigt sich das Problem mit den verschieden entleerten nichtlinearen Bereichen. In der Referenz [13] wurde eine polarisationsabhängige Lösung vorgeschlagen. Neuartige Schalter sollten jedoch polarisationsunabhängig sein. [ 1 ] T. Tamiπ'lntegrated Optics", Topics in Applied Physics vol. 7, Springer Verlag
2nd Edition, 1985, ISBN 0-387-09673-6 [2] M. Bachmann, M. K. Smit, P. A. Besse, E. Gini, H. Melchior, and L. B. Sol- dano, " Polarization-insensitive low-voltage optical waveguide switch using InGaAsP/InP four-port Mach-Zehnder interferometer," in Tech. Dig. OFC/ IOO 93, San. Jose, CA., Feb. 1993, pp. 32-33
[3] P.A. Besse, E. Gini, M. Bachmann, H. Melchior, "New 1x2 Multi-Mode Inter- ference Couplers with Freee Selection of Power Splitting Ratios", ECOC 1994. Sept 25-29 1994, Firenze. [4] M. Bachmann, Ch. Nadler, P.A. Besse and H. Melchior, "Compact Polarization- Insensitive Multi-Leg 1x4 Mach-Zehnder Switch in InGaAsP/InP", ECOC
1994, Sept 25-29 1994, Firenze. [5] J. Deri, et al., IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 4, pp. 1238-1240, Nov. 1992. [6] W.K. Bums and A.F. Milton:"Mode Conversion in Planar Dielectric Separating Waveguides", IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE-11, no. 1, pp. 32-39, 1975 [7] Y. Silberberg, et al. Appl. Phys. Lett., Vol. 51 , pp. 3905-3911 , July 1994
[8] R.E. Stubkjaer, et al., "Optical Wavelength Converters", ECOC 1994, Sept. 25-
29. 1994, Firenze, p. 635 ff.; [9] T. Durhuus, et. al.,"All Optical Wavelength Conversion by SOA's in a Mach- Zehnder Configuration" IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 6. Nol 1. Jan. 94; p. 53 ff.;
[10] V. Vodjdani, et al.; "All Optical Wavelength Conversion at 5 Gbit/s with Mon- olithic Integration of Semiconductor Optical Amplifers in a Passive Asymmet¬ rie MZI"; ECOC 1994, Sept. 25-29. 1994, Firenze, p. 95 ff.; [ 11 ] G.J.M. Krijnen, et al.; "Modelling of a versatile all-optical Mach-Zehnder swicht"; Intern. Symposium on Guided-Wave Optoelectronics, Oct. 26-28.
1994, Brooklyn; paper VII.6; [12] K.I.Kang, et al., "Demonstration of ultrafast, all-opitcal, low control energy, Single wavelength, polarization independent, cascadable and integratable switch"; Appl. Phys. Lett. 67 (5) , July 95, p. 605-607 [ 13] K. Tajima et. al.; "Ultrafast polarization-dicriminating Mach-Zehnder all-opti¬ cal switch"; Appl. Phys. Lett 67, Dez. 1995, p. 3709-3711 Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung,
Neue, kompakte, mit guten Toleranzen herstellbare Optisch-Optische Schalter und/ oder Wellenlängen-Konverter zu finden, die alle oder einige der folgenden Eigen¬ schaften aufweisen: - kompakt
- gute On/Off-Schaltverhältnisse
- Kaskadierbarkeit und bidirektionaler Betrieb möglich
- polarisations-unabhängig realisierbar -sehr schnelles Schalten möglich Bauteile sind zuerst zu entwickeln, die Gebrauch von verschiedenen Ordnungsmoden machen, um das Informations-Signal und das Kontroll-Signal zu mischen oder von einander zu trennen. D.h. Bauteile, die einerseits die optische Modenkonversion von einem Grundmode in einen oder mehrere Moden höherer Ordnung und andererseits die Superposition der konvertierten Moden mit weiteren optischen Signalen mit kompakten Bauteilen gestatten.
Dann sind Verfahren zur Erzielung der guten On/Off-Schaltverhältnisse zu finden, damit gute Schalter überhaupt möglich werden.
Es wird zudem auch ein alternatives Verfahren für Optisch-Optische Schalter und Wellenlängen-Konverter entwickelt, die von den erfindungsgemässen optischen Modekonverter keinen Gebrauch machen, aber dennoch einige oder alle obiger Eigen¬ schaften aufweisen.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe der Einkopplung von ersten Ordungs- moden in Optisch-Optischen Schaltern mittels neuartiger kompakter Multimode-Inter- ferenz Kopplern gelöst. Diese MMIs erlauben die Modenkonversion, Rück¬ konversion und Superposition mit andern Moden oder die Abbildung von Moden verschiedener Ordnung auf gemeinsame Wellenleiter mit verschiedenen Intensitäten. Damit man die Optisch-Optischen Schalter als Schalter mit 2 guten On/Off-Schaltver- hältnissen betreiben kann, werden 2 Asymmetrien in der MZI-Konfiguration einge- führt. Die beiden Asymmetrien werden so gewählt, dass man sowohl die Phase als auch die Intensität in der MZI-Konfiguration kontrollieren kann. Das Verfahren ist allgemeiner anwendbar. Die Vorgeschlagenen Schalter können je nach Anordnung kaskadierbar und bidirektional betrieben werden, weil man mit Moden verschiedener Ordnung arbeitet, die leicht voneinander getrennt werden können. Die Verwendung einer Konfiguration mit 'innern" MZI erlaubt die Konstruktion von kaskadierbaren, bidirektional betreibaren Strukturen, die von obigen MMI keinen Gebrauch machen. Die Geschwindigkeits-limitierende Ladungsträger-Rekombinationszeit kann z.B. durch ein zweites zeitlich versetztes Kontroll-Signal oder aber durch das Aufteilen eines Mode in Moden verschiedener Ordnung, die nacheinander dieselben nichtlinearen Bereiche durchlaufen gelöst werden. So ist schnelles Schalten möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 Beispiel eines MMIs das zur Erzeugung eines Mode höherer Ordnung dient. Fig. 2 Beispiel einer Allgemeinen MMI-Struktur. die zur Einkopplung zweier Mo¬ den auf den gleichen Wellenleiter dient und dabei gleichzeitig mindestens ei- nen Mode auf einen Mode höherer Ordnung konvertiert.
Fig. 3 MMI mit der erfindungsgemässen Möglichkeit, Grundmoden auf einen oder mehrere Moden der ersten Ordnung und auf Grundmoden abzubilden. Fig. 4 Aufbauprinzip des "General (3K)x(3K)-MMI-Converter-Combiners". a) Spezialfall K=l b) Spezialfall K=2. Fig. 5 Aufbauprinzip des "General (4K)x(4K)-MMI-Converter-Combiners". a) Spezialfall K=l b) Spezialfall K=2. Fig. 6 Aufbauprinzip des "MMI-Converter-Combiners" Variante 1. Fig. 7 Aufbauprinzip des "MMI-Converter-Combiners" Variante 2 Fig. 8 Aufbauprinzip des "MMI-Converter-Combiners" Variante 3. Fig. 9 Beispiel für das Aufbauprinzip eines MMIs das es erlaubt zwei Moden ver¬ schiedener Symmetrie (hier: Grundmode und Mode erster Ordnung) mit ver¬ schiedenen Teilverhältnissen auf K Ausgänge abzubilden. In diesem Beispiel wurden die Eingangspositionen für die Wellenleiter am MMI so gewählt, dass sowohl der Grundmode als auch der Mode erster Ordnung am gleichen Ausgang jeweils identische Teilverhältnisse aufweisen. Würde man bei¬ spielsweise in diesem Beispiel K=2 wählen, so wären die Teilverhältnisse an den Ausgängen sowohl für den ersten Ordnungsmode als auch für den Grund¬ mode 15:85 Fig. 10 .Beispiel eines Optisch-Optischen Schalters mit 2 möglichen Ausgängen re¬ spektive Wellenlängenkonverters, der das Kontroll-Signal in einem "MMI- Converter-Combiner" in einen Mode erster Ordnung konvertiert und gleich¬ zeitig auf einen Wellenleiterarm des MZI führt. Fig. 11 Beispiel eines Optisch-Optischen Schalters mit 1 Ausgang respektive eines Wellenlängenkonverters, der nach dem Prinzip der Kreuz-Phasen-Modulati¬ on (XPM) arbeitet und die Einkopplung und Konvertierung des Kontroll-Si¬ gnals via Converter-Combiner-MMI erlaubt. Diese reflektierende MZI Struktur wird auch als MI-Konfiguration bezeichnet. Fig. 12 Beispiel eines XPM-Optisch-Optischen Schalters mit 2 möglichen Ausgän- gen, der zur Ein- und Auskopplung des Eingangssignals B identische "Butter- fly"-MMI 131 und 132, als asymmetrische Moden-Koppler verwendet. Zur Einkopplung des Kontroll-Signals werden MMI-Converter-Combiner 133 und 137 verwendet Fig. 13 Beispiel eines XPM-Optisch-Optischen Schalters mit 2 möglichen Ausgän- gen, der zur Ein- und Auskopplung des Eingangssignals B je verschiedene
"Butterfly"-MMIs, als asymmetrische Moden-Koppler 141 und 142 verwen¬ det und zur Einkopplung des Kontroll-Signals MMI-Converter-Combiner 143 und 146 verwendet. Fig. 14 Beispiel zur Einkopplung und Konvertierung des Kontroll-Signals in einen Mode erster Ordnung, in einen XPM-Optisch-Optischen Schalter mit 2 mög¬ lichen Ausgängen, mittels eines "3x3-MMI-Converter-Combiners", Fig. 4a). Fig. 15 Allgemeiner XPM-Optisch-Optischer Schalter mit 2 Ausgängen mit guten On/Off-Schaltverhältnissen. Bei den Kopplern 161 und 162 handelt es sich um "Butterfly"-MM1 mit ungefähr reziproken oder identischen Teilverhält- nissen für die Signal-Intensitäten. Der mittlere Teil 163 repräsentiert ver¬ schieden Auf baumöglichkeiten für die Ein- und Auskopplung des Kon troll - Signals, den nichtlinearen Bereich und die Phasen-Shifter. Fig. 16 XPM-Optisch-Optischer Schalter mit 2 Ausgängen mit verbesserten On/Off- Schaltverhältnissen. 2 verschieden grosse nichtlineare Bereiche im Bereich 173 und 174 kennzeichnen die Schalter. Der Moden-Koppler 171 ist ein 1x2-
MMI und der Moden-Koppler 172 ist ein 2x2-MMI. Fig. 17 Beispiel eines Optisch-Optischen Schalters, der nur Grundmoden benutzt und aus einem "äusseren" MZI und "inneren" MZI besteht, so dass das Signal B und das Kontroll-Signal A auch am Ausgang gut getrennt sind. Fig. 18 XPM-Optisch-Optischer Schalter analog zu Fig. 17. Als Moden-Koppler 171 und 172 werden "Butterfly"-MMI mit ungefähr reziproken oder identischen Teilverhältnissen verwendet, so dass er gute On/Off- Verteilungsverhältnisse aufweist. Fig. 19 Darstellung des erfindungsgemässen kompakten Optisch-Optischen Schal¬ ters, der für die Einkopplung des Signals B und des Kontroll-Signals A nur ei¬ nen Koppler benötigt und für die Auskopplung derselben auch nur einen Koppler benötigt.
311, 312=4x4-Converter-Combiner-MMI Fig. 20 Beispiel eines XPM-Optisch-Optischen Schalters, der ein optisches Signal B in 2 durch die Ordnung des Mode unterscheidbare Anteile B' und B" auf¬ spaltet und zeitlich verschoben in den nichtlinearen Bereich 417 führt, so dass das Kontroll-Signal zeitlich so gesendet werden kann, dass nur das zweite Si¬ gnal B" die Brechungsindexänderung erfährt. Fig. 21 Beispiel eines XPM-Optisch-Optischen Schalters analog zu Fig. 20, mit 4x4-
Converter-Combiner-MMI gemäss Fig. 5a Fig. 22 Schema eines elektrisch kontrollierten Optischen-Schalters mit guten On/ Off-Schaltverhältnissen basierend auf der MZI-Konfiguration gemäss Fig. 15
Fig. 23 Schema eines elektrisch kontrollierten Optischen-Schalters mit guten On/
Off-Schaltverhältnissen basierend auf der MZI-Konfiguration gemäss Fig. 16
Weg zur Ausführung
Zuerst einige Definitionen von Begriffen, wie sie im Text gebraucht werden:
- Koppler: allgemeiner Ausdruck für Moden-Teiler und/oder Moden-Vereiniger
- Moden-Teiler: Bauteil, das zum aufspalten eines oder mehrer optischer Moden in mehrere optische Moden dient. Kann im allgemeinen auch als Moden- Vereini- ger gebraucht werden.
- Moden-Vereiniger: mischt verschiedene Eingangsmoden, je nach Intensitäts- und
Phasenbeziehung untereineander auf verschiedene Ausgangswellenleiter Kann im allgemeinen auch als Moden-Teiler gebraucht werden.
- Moden-Trenner: Bauteile, die Moden verschiedener Ordnung auf je 1 verschiede- nen Wellenleiter abbilden.
- Moden-Filter: Bauteile, die Moden verschiedener Ordnung auf verschiedene Wel¬ lenleiter abbilden. -Kontroll-Signal: optisches Signal, das genug stark ist um eine Brechungsindex- Aenderung in einem nichtlinearen Material zu erzeugen, die Phase eines ander Signals bemerkbar verändern kann. Je nach Situation, kann das Kontroll-Signal auch als Daten-Signal aufgefasst werden.
- XPM: Abkz. von "Cross-Phase-Modulation". genauere Spezifizierung für ein
Mach-Zehnder Interferometer (MZI) oder Michelson-Interferometer (MI), das mindestens einen Bereich mit einem nichtlinearem Medium aufweist. - Schalter mit 2 guten Ausgängen: Ein Schalter, der ein 1 Eingangssignal von einem
Eingangswellenleiter mit guten On/Off-Schaltverhältnissen auf 2 Ausgänge ab¬ bilden kann. Ohne es im folgenden explizit zu erwähnen, eignen sich solche Schalter auch um Signale von 2 Eingängen mit gutem On/Off-Schaltverhältnis auf 1 Ausgang abzubilden. Dazu könnte man z.B. den Schalter rückwärts betrei- ben oder einen Schalter mit 2 Eingangswellenleitern verwenden.
Im Vorliegenden beginnen wir mit der Beschreibung der MMI, da sie für die Optisch-Optischen Schalter gebraucht werden und verdeutlichen die Erfindung anhand von Figuren. Multi-Mode-Interferometer weisen folgende Bestandteile auf (Fig. 1 ):
- mindestens einen Wellenleiter-Eingang 11, der den Eingangsmode führen kann
- einen Interferenzteil 19 (das MMI selber)
- Wellenleiter- Ausgänge 12,13, welche die erzeugten Moden führen können. Der konvertierte Mode (Mode höherer Ordnung) weist zwei Merkmale auf, die für eine Generierung desselben wesentlich sind:
- Der konvertierte Mode hat ein charakteristisches Intensitätsprofil.
- Der konvertierte Mode weist ein charakteristisches Phasenbild auf. Durch die Wahl von geeigneten Positionen der Wellenleiter-Eingänge und deren Ausgängen sowie der MMI-Geometrie, die z.B. rechteckig, vieleckig, . . sein könnte. kann das Problem der Modenkonversion mit Hilfe der MMI gelöst werden.
Durch die Verwendung von mindestens zwei oder noch mehr Wellenleiter¬ eingängen kann man die Aufgabe der Einkopplung zweier oder mehrer Moden aus verschiedenen Eingängen in denselben Ausgangs-Wellenleiter, bei einer gleichzei- tigen Modenkonversion von wenigstens einem Mode mittels MMIs lösen. Es ist also z.B. möglich einen Grund-Mode aus Eingang 21 von Fig. 2 in einen Mode erster Ordnung auf den Ausgang 23 abzubilden und einen andern Grundmode aus Eingang 22 als Grundmode auf denselben Ausgang 23 abzubilden.
Ausgehend von den obigen allgemeinen Konstruktionen, werden die folgenden speziellen MMI-Strukturen gegeben.
MMI mit der Möglichkeit, symmetrische Moden der Ordnung M (z.B. M=0 für den Grundmode) auf einen oder mehrere Moden der Ordnung 2M+1 (z.B. Grund¬ moden auf Moden erster Ordnung) und auf Moden der Ordnung M abzubilden. Die Position des Wellenleitereingans für den zu konvertierenden optischen Mode befindet sich am Rand des MMI-Eingangs.
Ein Beispiel für einen solchen "MMI-Converter" wird in Fig. 3 gegeben. Der zu konvertierende Mode (hier beispielsweise ein Grundmode A), wird am Wellenleiter¬ eingang ins MMI eingekoppelt. Im rechteckigen MMI dessen Länge mit den aus der Literatur bekannten NxN-MMI (mit ganzen Zahlen N > 3 ) übereinstimmt [M.
Bachmann, P.A. Besse, and H. Melchior, "General self-imaging properties in ΝxΝ multimode interference couplers including phase relations", Applied Optics vol 33. pp. 3905-3911, July 1994], bildet den Mode für ungerade Zahlen von Ν auf (N - 1 ) /2 respektive für gerade Zahlen N auf (N - 2) /2 Moden erster Ordnung und 1 respektive 2 Grundmoden ab. In Fig. 3 wurde beispielsweise N ungerade gewählt.
Beschreibung des "General (3K)x(3K)-MMI-Converter-Combiner". Als Beispiel veranschaulichen die Fig. 4a) und Fig. 4b) die Fälle für K=\ und K--2. Dieses MMI erlaubt es, einen optischen Grundmode A auf (3AT- 2) /2 respektive
(3K- 1 ) /2 Moden erster Ordnung abzubilden. Es kann also als sehr kompakter Modenkonverter benutzt werden. Die Konversionsefnzienz ist dabei für K=l fast 66%. Zugleich ermöglicht es dieses MMI, einen andern Grundmode B auf K Grund¬ moden abzubilden und diese mit den Moden erster Ordnung zu überlagern. Damit sind mit dieser Struktur 3 Dinge in einem einzigen kompakten Bauteil realisiert:
1.) Konversion eines Grundmode A in Moden erster Ordnung. 2.) Ueberlagerung der Moden erster Ordnung mit den Bildern eines zweiten Grundmode B. 3.) Das MMI dient gleichzeitig als Moden-Teiler, sowohl für den Grundmode A auf die Moden erster Ordnung als auch für den Grundmode B auf dessen Grundmoden. Der 'General (3K)x(3K)-MMI-Converter-Combiner' ermöglicht die Aufspaltung und Ueberla- ppung auf genau K MMI-Ausgänge. Die Konversionseffizinenz des Grundmode A in Moden erster Ordnung auf die K Ausgänge, auf denen eine Ueberlappung möglich ist, beträgt theoretisch fast 66%. Jene des Grundmode B auf die K Ausgänge beträgt theoretisch 100%. Für den Fall der Wahl einer geraden Zahl K, hat dieses Bauteil noch weitere Eigen¬ schaften. Es erlaubt nämlich die Einkopplung eines weitem Grundmode C auf die K Ausgänge, in die auch die Bilder der Moden A und B abgebildet werden. Ein vierter Mode D, der ebenfalls auf einen Mode erster Ordnung abgebildet wird kann ebenfalls über eine separaten Eingang auf diese Ueberlappenden K Ausgänge abgebildet werden. Dessen Konversionseffizienz auf diese Ueberlappenden K Ausgänge beträgt ebenfalls fast 66%.
Die Geometrie des MMI ist bestimmt durch die Angabe der Positionen der Wellen¬ leiter-Eingänge am MMI und der MMI-Geometrie selber. Für eine frei wählbare MMI-Breite W, ergibt sich z.B. für ein rechteckiges MMI eine Länge, die derjenigen des (3K)x(3K)-MMI gemäss [M. Bachmann, P.A. Besse, and H. Melchior, "General self-imaging properties in NxN multimode interference couplers including phase relations", Applied
Figure imgf000013_0001
wobei K eine ganzzahlige Konstante darstellt, n der effektive reale Brechungsindex ist. W die Breite des MMIs gibt, wobei unter Breite die geometrische Breite einschliesslich der Eindringtiefe der Moden im MMI in das benachbarte Material verstanden wird und schliesslich ist λ die Vakuumwellenlänge. Die unter Gl. 1 gegebene Länge variiert falls man von der rechteckigen MMI-Form abweicht. Die Wellenleiter-Eingänge (41) des Mode A, der den Grundmode A führt welcher konvertiert werden soll, liegt an der unteren oder/und an der oberen Kante des MMI.
Der frei wählbare Parameter a bestimmt die Form der Intensitätsverteilung des Mode erster Ordnung. Die Positionen der Wellenleiter-Eingänge für die Moden B und C befinden sind in einem Abstand von 2W/3 respektive W/3 von den MMI-Längskanten entfernt.
Des weiteren beschreiben wir den "General (4K)x(4K)-MMI-Converter- Combiner". Als Beispiel veranschaulichen die Fig. 5a) und Fig. 5b) die Fälle für K=l und K=2. Dieses MMI erlaubt es einen optischen Grundmode A auf 2K - 1 Moden erster Ordnung abzubilden. Es kann also als weitere Variante eines sehr kompakten Moden¬ konverters benutzt werden. Die Konversionseffizienz ist dabei für K=l fast 50%. Zugleich ermöglicht es dieses MMI. einen andern Grundmode B auf K Grundmoden abzubilden und diese mit Moden erster Ordnung zu überlagern. Damit sind mit dieser Struktur 3 Dinge in einem einzigen kompakten Bauteil realisiert: 1.) Konversion eines Grundmode A in Moden erster Ordnung. 2.) Ueberlagerung der Moden erster Ordnung mit den Bildern eines zweiten Grundmode B. 3.) Das MMI dient gleichzeitig als Moden-Teiler, sowohl für den Grundmode A auf die Moden erster Ordnung als auch für den Grundmode B auf dessen Grundmoden. Der 'General (4K)x(4K)-MMI- Converter-Combiner' ermöglicht die Aufspaltung und Ueberlappung auf genau K MMI-Ausgänge. Die Konversionseffizienz des Grundmode A in Moden erster Ordnung auf die K Ausgänge, auf denen eine Ueberlappung möglich ist, beträgt theoretisch fast 50%. Jene des Grundmode B auf die K Ausgänge beträgt theoretisch 100%. Das MMI besitzt noch eine weitere vorteilhafte Eigenschaft. Ein dritter Mode D, der ebenfalls auf einen Mode erster Ordnung abgebildet wird kann ebenfalls über eine separaten Eingang auf diese Ueberlappenden AT Ausgänge abgebildet werden. Dessen Konversionseffizienz auf diese Ueberlappenden K Ausgänge beträgt ebenfalls 50%. Die Geometrie des MMI ist bestimmt durch die Angabe der Positionen der Wellen¬ leiter-Eingänge am MMI und der MMI-Geometrie selber. Für eine frei wählbar MMI- Breite W, ergibt sich z.B. für ein rechteckiges MMI eine Länge, die demjenigen des (4K)x(4K)-MMI gemäss [M. Bachmann, P.A. Besse, and H. Melchior, "General self- imaging properties in NxN multimode interference couplers including phase relations", Applied Optics vol 33, pp. 3905-3911, July 1994] entspricht: LΛK = ^ ■ 3Le (Gl. 2) Die Notation ist dieselbe wie unter Gl. 1.
Die Wellenleiter-Eingänge der Moden A und D befinden sich in unmittelbarer Nähe der MMI-Längskanten. Die Position des frei wählbaren Parameters a bestimmt einmal mehr die Intensitätsverteilung des Mode erster Ordnung. Die Position des Wellen¬ leiter-Eingangs für den Mode B befindet sind in einem Abstand von W/2 von der MMI-Längskante entfernt.
Im folgenden zeigen wir verschiedene 'Converter-Combiner-MMI's', die einen ersten Grundmode A auf genau K Moden erster Ordnung abbilden und diese exakt mit K Grundmoden, die aus einem zweiten Grundmode B stammen superpo- niern. Die Eingangsintensität des Mode verteilt sich dabei gleichmässig auf die K
Ausgänge des MMI. Der Vorteil dieser 'Converter-Combiner-MMIs' ist die Tatsache, dass dabei sowohl der erste Mode A als auch der zweite Mode B an den K MMI Ausgängen zu fast 100% superponiert werden.
Eine Realisation eines solchen '(l+l)xK MMI-Converter-Combiners' Variante 1 ist in Fig. 6 schematisch dargestellt.
Dieses Bauteil erlaubt es einen optischen Grundmode A als Mode erster Ordnung auf K Wellenleiter Ausgänge abzubilden. Die Konversionseffizienz für die Konvertierung auf Moden erster Ordnung ist dabei fast 100%. Gebraucht man nur diesen einen Eingang, so dient dieses Bauteil als höchst effizienter Modenkonverter und Teiler. Zugleich ermöglicht es dieses Bauteil einen weiteren optischen Grundmode B, auf K Grundmoden in Wellenleiter am MMI-Ausgang aufzuspalten und mit den eben genannten K Moden erster Ordnung zur Ueberlappung zu bringen. Damit sind mit dieser Struktur einmal mehr 3 Dinge in einem einzigen Bauteil reali¬ siert: 1.) Konversion eines Grundmode A in K Moden erster Ordnung. 2.) Ueberlagerung der Moden erster Ordnung mit den Bildern eines zweiten Grundmode B. 3.) Das MMI dient gleichzeitig als Moden-Teiler, sowohl für den Grundmode A auf die K Moden erster Ordnung als auch für den Grundmode B auf dessen K Grundmoden. Die Konversionseffizienz beträgt sowohl für den Eingangsmode A auf die konver- tierten K Moden erster Ordnung, als auch für den Eingangsmode B auf die K Grund¬ moden fast 100%.
Das Bauteil besteht am Eingang für den zu konvertierenden Mode A aus folgenden Komponenten: Einem Modenteiler 50:50 mit 2 Wellenleiter-Ausgängen 63. Dies könnte z.B. ein 1x2 MMI, symmetrischer Y-Teiler,. . . sein. Auf dem einen der beiden befindet sich ein Phasen-Shifter 64. Es ist dabei unwesentlich, wie der Phasen-Shifter realisiert wird. Es könnte sich also um einen aktiven oder passiven Phasen-Shifter handeln. Ein Beispiel für einen passiven Phasenshifter wären z.B. zwei konzentrischen Wellenleiterkreise mit unterschiedlichen Radien. Der zu erzeugende Phasenschift des Mode auf dem einen Wellenleiter 66 gegenüber dem Mode auf dem andern Wellen- leiter 65 beträgt 180° für ungerade Zahlen K und 0° für gerade Zahlen K. Die beiden
Wellenleiter werden danach auf ein 'General (4K)x(4K)-MMI-Converter-Combiner' 69 geführt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Wahl einer rechteckigen MMI-Form nicht zwingend ist. Der Eingang 62 des Mode B befindet sich in der Mitte auf der MMI-Eingangsseite des 'General (4K)x(4K)-MMI-Converter-Combiner' 69. Falls man den Eingang 62 über Spiegel auf das MMI 69 führt, kann man den Modenteiler 63 und den 'General (4K)x(4K)-MMI-Converter-Combiner' 69 auch zu einem einzigen Bauteil zusammenfügen.
Das Bauteil besitzt ferner die Eigenschaft, dass es im Fall K=l in umgekehrter Richtung als Moden-Trenner Grundmoden und Moden erster Ordnung, die sich im gleichen Wellenleiter befinden vollständig trennen kann.
Eine weitere Realisation eines solchen '(l + l)xK MMI-Converter-Combiner' Variante 2 mit K Wellenleiter- Ausgängen ist in Fig. 7 gegeben. Dieses Bauteil bietet die gleichen Möglichkeiten und Leistungsmerkmale, wie die soeben beschriebene Variante 1. Es unterscheidet sich nur im Aufbau: Der Grundmode A am Eingang 71 wird dabei in einem 2x2 MMI der Länge [M. Bachmann, P.A. Besse, and H. Melchior, "General self-imaging properties in NxN multimode interference couplers including phase relations", Applied Optics vol 33. pp. 3905-3911, July 1994]:
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auf zwei Moden abgebildet. Die beiden Moden werden nach dem 2x2 MMI auf Wellenleiter 75 und 76 geführt. Ein Phasenshifter 74 folgt und sorgt dafür, dass zwischen den beiden Moden in den Wellenleitern für ungerade K ein totaler Phasenun¬ terschied von 180° besteht, respektive für gerade K ein totaler Phasenshift von 0°. Gemäss Fig. 7 werden die beiden Wellenleiter in den 'General (4K)x(4K)-MMI- Converter-Combiners' 69 geführt und dort auf K Moden erster Ordnung aufgespaltet. Der Grundmode B wird in der Mitte des 2x2 MMIs 77 eingekoppelt und wird unver¬ ändert in der Mitte des 2x2 MMI-Ausgangs wieder ausgekoppelt. Ueber einen Wellen¬ leiter 77 wird der Grundmode B auf die Mitte der Eingangsseite des 'General (4K.x(4K)-MMI-Converter-Combiners' 69 geführt und von dort aus auf K Grund- moden abgebildet. Einmal mehr fallen die K Abbildungen des Grundmode A und des
Grundmode B zusammen.
Zum MMI-Converter-Combiner aus Fig. 7 existiert eine interessante 3. Variante. Diese ist in Fig. 8 gegeben. Auch dieses Bauteil bietet die gleichen Möglichkeiten und Leistungsmerkmale, wie die soeben beschriebene Variante 1. Es unterscheidet sich nur im Aufbau: Der Phasen-Shift aus dem mittleren Teil der Fig. 7 wurde dabei durch eine Verdrehung des 'General (4K)x(4K)-MMI-Converter-Combiners' 69 gegenüber dem vorange¬ henden 2x2 MMI 73 aus Fig. 7 erreicht. Die beiden MMIs: das 2x2 MMI 73 und der 'General (4K)x(4K)-MMI-Converter-Combiners' 69 sind dabei zu einem einzigen MMI 89 zusammengefügt worden.
Die obigen MMI-Strukturen lassen sich als Moden-Filter verwenden. Benutzt man beim 'General (4K)x(4K)-MMI-Converter-Combiners' aus Fig. 5 lediglich den mittlern Wellenleitereingang 52 so werden symmetrische Moden (z.B. der
Grundmode), die in diesem Wellenleiter geführt wurden am MMI-Ausgang auf K entsprechende symmetrische Moden aufgespaltet. Die antisymmetrischen Moden (z.B. die Moden erster Ordnung) werden auch aufgespaltet, aber auf andere MMI- Ausgänge. Damit ist eine Zerlegung in symmetrische und anti symmetrische Moden möglich.
Die MMI-Strukturen aus den Figuren 6, 7 und 8 lassen sich im Fall K=l als Moden-Trenner verwenden. Benutzt man die Strukturen in umgekehrter Richtung, also den Ausgang dieser Strukturen als Eingang des MMIs, so werden symmetrische Moden und antisymmetrische Moden in diesem Wellenleiter auf verschiedene Wellenleiter-Ausgänge aufgeteilt. Z.B. wird der symmetrische Grundmode vom antisymmetrischen Mode erster Ordnung getrennt und der Mode erster Ordnung wird in einen Grundmode transformiert.
Des weiteren werden MMI-Strukturen gegeben, die es ermöglichen einen symmetrischen (z.B. Grundmode) und einen anti symmetrischen Mode (z.B.einen Mode erster Ordnung) mit verschiedenen Intensitäten auf K Ausgangswellenleiter abzubilden. Die Längen dieser MMIs können für den Fall rechteckiger MMIs aus den aus der Literatur bekannten (2K)x(2K)-MMI abgeleitet werden: κ = 2 3Lc (G1 4) K ist eine natürliche Zahl grösser oder gleich 2. Lc wurde bereits oben definiert. in W
Für Wellenleiter-Eingangspositionen xt = /— mit ι=l, 2 2K-1 und Ausgangs- w Positionen x - W-j— mit j=l, 2, ..., 2K-1 und i +j gerade Zahlen, wobei x von einer Längskante entlang des MMI-Eingangs gemessen wird, erhält man folgende
Intensitätsverteilungen am Ausgang j: r. = sin [ zy ' -Jiτγ } ^ür symmetrische Moden (Gl. 5)
2 2 H 2( π . .. π ri} = ^cos , für antisymmetrische Moden (Gl. 6)
Wählt man die Position i des Eingangs sowohl für den normierten symmetrischen als auch für den normierten antisymmetrischen Mode am gleichen Ort, so erhält man an allen Ausgängen j, für die Summe der Intensitäten der beiden Moden, die gleiche konstante Intensitätsverteilung.
Desgleichen erhält man an allen Ausgängen j die gleiche konstante Intensitätsver¬ teilung, falls man für den normierten symmetrischen Mode die Eingangsposition / = 2p und für den normierten antisymmetrischen Mode die Eingangsposition ." = 2K - 2p wählt. Hingegen wählt man für den symmetrischen Mode die Eingangsposition / = 2p + 1 und für den antisymmetrischen Mode die Eingangsposition /' = 2K - 2p - 1 , so erhält man am Ausgang j für beide Moden dieselben Intensitätsverhältnisse. Ein- und Ausgänge sind für diesen Fall in der Fig. 9 beispielhaft gegeben. Wählt man für die Eingänge des symmetrischen und des antisymmetrischen Mode beliebige Positionen /' und ." , so erhält man für die beiden Moden ganz unterschied¬ liche Teilverhältnisse an den Ausgängen. Variationen in der Geometrie des MMIs können zu anderen Teilverhältnissen führen.
Die Converter-Combiner MMIs haben auf verschiedensten Gebieten der integrierten Optik Anwendungen. Die im folgenden Besprochene Anwendung in Optisch-Optischen Schaltern stellt nur eine Anwendung unter vielen dar. Im weiteren werden die Optisch-Optischen Schalter und Wellenlängen-
Konverter beschrieben und Wege zu Ihrer Ausführung aufgezeigt. Die Schalter werden so weiterentwickelt, dass sie 1 Eingang auf 2 Ausgänge mit guten On/Off- Schaltverhältnissen abbilden.
In Fig. 10 ist ein Beispiel eines Optisch-Optischen Schalters mit 2 möglichen Ausgängen, der nach dem Prinzip der Kreuz-Phasen-Modulation (XPM) arbeitet und die Einkopplung und Konvertierung des Kontroll-Signals via MMI erlaubt skizziert. Ein solcher Schalter besteht mindestens aus:
- einem Modenteiler 111, falls man das Bauteil vorwärts betreibt, respektive 112, falls man das Bauteil in umgekehrter Richtung betreibt, der ein optisches Ein- gangssignal B auf die 2 verschiedenen Arme der MZI-Konfiguration aufteilt.
Die Anzahl Eingänge in den Modenteiler kann beliebig sein, wesentlich ist nur, dass das Eingangssignal in einem bestimmten Verhältnis auf die Wellenleiter¬ arme abgebildet wird.
- einem Modenvereiniger 112 respektive 111 , der das Eingangssignal vereinigt und je nach Phasenverhältnis und Anteilen auf den beiden MZI- rmen auf einen
Ausgang führt. Für einen Schalter mit zwei möglichen Ausgängen werden min¬ destens 2 Ausgänge am Modenvereiniger 112 benötigt. Für einen Schalter mit einem Ausgang oder einen Wellenlängenkonverter genügt 1 Wellenleiteraus¬ gang. - einem Bauteil 113 und/oder 117, das es erlaubt, ein oder mehrere optisches Kon¬ troll-Signale einzukoppeln
- mindestens einem oder zwei Bereichen mit nichtlinearem Material 114 und/oder 118. Je nachdem ob das optische Kontroll-Signal anwesend ist oder nicht wird in diesem Bereich im Eingangssignal ein Phasenshift erzeugt. Die Intensität und die Phase sind in einem optisch-nichtlinearen Material nicht unabhängig, son¬ dern hängen via die Kramers-Kronig-Transformation zusammen. Der in diesem Material erzeugte Phasen-Shift und die Intensitätsänderung im optischen Ein¬ gangssignal bestimmen die Schalteigenschaften des Schalters am Ausgang.
- Ein aktiver oder passiver Phasenshifter 115 und/oder 119 kann irgendwo auf den MZI-Armen angebracht sein. Ein Beispiel eines passiven Phasenshifters wären z.B. 2 unterschiedlich lange MZI-Arme. Als Phasenshifter können auch Halblei¬ ter-Verstärker gebraucht werden. Diese müssen dann aber geeignet plaziert wer¬ den. Z.B. müsste der Halbleiter- Verstärker 115 zwischen den Bauteilen 1 16 und 112 oder zwischen 111 und 113 angeordnet sein. Im eben skizzierten Schalter erfolgt die Einkopplung des Kontroll-Signals direkt auf einen der MZI-Arme 5 oder 6. Das optischen Kontroll-Signal wird über ein "MMI- Converter-Combiner" 113 und oder 117 eingekoppelt. Dabei wird der Grundmode des optischen Kontroll-Signals A in einen Mode erster Ordnung konvertiert und gleich¬ zeitig mit dem optischen Eingangssignal B vereinigt. Es handelt sich dabei um ein "MMI-Converter-Combiner" gemäss dem Text zu Fig. 2, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7,
Fig. 8 oder Fig. 9. Es könnte sich also beispielsweise um ein "3x3-MMI-Converter- Combiner", um ein "1+lxl-MMI -Converter-Combiner", usw. ... handeln. Je nach Anwendung wird das optische Kontroll-Signal in Bauteilen 116 und/oder 120 wieder ausgekoppelt. Das Kontroll-Signal könnte z.B. in einem umgekehrt betriebenen " 1 + lxl -MMI-Converter-Combiner" wider ausgekoppelt und vom Eingangssignal getrennt werden oder in einem MMI-Filter ausgekoppelt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit auf die Bauteile 116 und/oder 120 zu verzichten und das Kontroll- Signal auf den Modenkombinerer 112 zu führen. Eine ander Möglichkeit wäre die Bauteile 116 und/oder 120 dazu zu benutzen ein anders optisches Signal (z.B. ein weiteres Kontroll-Signal, Pump-Signal,...) einzukoppeln.
Das in Fig. 10 skizzierte Bauteil lässt sich als Schalter mit 2 Ausgängen betreiben. Als mögliche Eingänge für das optische Kontroll-Signal kommen die Eingänge 1 und 4 oder umgekehrt betrieben die Eingänge 8 und 9 in Frage. Das optische Eingangssignal kann je nach Wahl der Modenteiler 111 und Vereiniger 112 über die Eingänge auf der linken oder der rechten Seite betrieben werden.
Das Bauteil kann in dem Sinn als Wellenlägenkonverter benutzt werden, als dem optischen Kontroll-Signal A der Wellenlänge λj ein optisches Signal B der Wellen¬ länge λ2 auf einem der Ausgänge entspricht. Die Möglichkeit das Kontroll-Signal an einem separaten Ausgang wieder auszukoppeln oder am Ausgang des Signals B stark zu unterdrücken erlaubt es das Bauteil zu kaskadieren oder/und bidirektional zu betreiben.
In Fig. 1 1 ist ein Beispiel eines Optisch-Optischen Schalters respektive Wel¬ lenlängenkonverters mit 1 möglichen Ausgang, der nach dem Prinzip der Kreuz-Pha- sen-Modulation (XPM) arbeitet und die Einkopplung und Konvertierung des Kontroll- Signals via MMI erlaubt, skizziert. Dieser besteht aus:
- einem Moden-Koppler 121, der ein optisches Eingangssignal B auf die 2 ver¬ schiedenen Arme der MZI-Konfiguration aufteilt. Die Anzahl Eingänge in den Koppler kann beliebig sein, wesentlich ist nur, dass das Eingangssignal in einem bestimmten Verhältnis auf die beiden Wellenleiterarme abgebildet wird
- einer reflektierenden Schicht 128
- mindestens einer Komponente 122 und/oder 125, die es erlaubt, ein optisches Kontroll-Signal emzukoppeln
- mindestens einem oder zwei Bereichen mit nichtlinearem Material 124 oder/und 127. Je nachdem ob das optische Kontroll-Signal A anwesend ist oder nicht wird in diesem Bereich am Signal B ein Phasenshift erzeugt. Das nicht neare Mate¬ rial kann irgendwo auf dem Interferometer-Arm angebracht sein
- Ein aktiver oder passiver Phasenshifter 123 und oder 126 kann irgendwo auf den MZI-Armen angebracht sein Die Einkopplung des Kontroll-Signals erfolgt direkt auf einen der MZI- Arme 5 oder 6 Das optischen Kontroll-Signal wird über ein "MMI-Converter-Combiner" 122 und/ oder 126 eingekoppelt Dabei wird der Grundmode des optischen Kontroll-Signals A in einen Mode erster Ordnung konvertiert und gleichzeitig mit dem optischen Eingangssignal vereinigt. Es handelt sich dabei um ein "MMI-Converter-Combiner' gemäss Fig. 2, Fig 4, Fig 5, Fig 6, Fig 7, Fig 8 oder Fig 9 Sowohl das Eingangs¬ signal als auch das Kontroll-Signal werden an der reflektierenden Schicht zurückge¬ spiegelt Das Kontroll-Signal wird je nach Wahl des MMI 122 und/oder 125 ganz oder teilweise wieder ausgekoppelt. Das reflektierte Eingangssignal aus dem Wellenlei- terarm 5 und 6 wird auf den Modenteiler- Vereiniger gefuhrt und vereinigt Je nach der Phasenbeziehung im Wellenleiterarm 5 und 6 wird das Eingangssignal auf einen vom Wellenleitereingang verschiedenen Ausgang gefuhrt
Diese reflektierende MZI-Struktur wird auch als MI-Konfiguration bezeichnet Das in Fig 2 skizzierte Bauteil lasst sich als Schalter mit 1 Ausgang betreiben Als mögliche Eingange für das optische Kontroll-Signal kommen die Eingange 1 und 4 in Frage Das optische Eingangssignal kann über den Eingang 2 oder 3 eingeführt werden
Das Bauteil kann in dem Sinn als Wellenlagenkonverter benutzt werden, als dem optischen Kontroll-Signal A der Wellenlange λj ein optisches Signal B der Wellen¬ lange λ auf einem der Ausgange entspπcht
Die Aufgabe einen Optisch-Optischen Schalter mit 2 guten Ausgangen, d h guten On Off-Schaltverhaltnissen zu erhalten kann mit dem im Text zu Fig 10 gege¬ benen Schalter respektive Wellenlangenkonverter und der Wahl von Moden-Kopplern 1 1 1 und 112, die es erlauben das Eingangssignal mit verschiedenen Teilungsverhalt- nissen auf die beiden MZI- Arme aufzuteilen resp. zu vereinigen, gelöst werden. Dabei gehört zu einem Phasenshift Δφ] und einem Intensitätsverhältnis pl zwischen den Ein¬ gangssignalen auf den beiden MZI- Armen ein bestimmter Schaltzustand auf einen Ausgang. Verändert man den Phasenshift auf Δφ2 und das Intensitätsverhältnis auf p2, so wird das Eingangssignal auf den zweiten Ausgang geführt. In einem XPM-Schalter wird durch das Kontroll-Signal, z.B. auf dem MZI-Arm 5, die
Phase des Eingangssignals im Bereich des nichtlinearen Mediums verändert. In einem nichtlinearen Medium führt eine Phasenänderung meistens auch zu einer Intensitäts¬ änderung desselben Signals. Die Kramers-Kronig-Relation (KK) beschreibt diesen Zusammenhang. Mit andern Worten, das Kontroll-Signal verändert 2 charakteristische Grossen des Eingangssignals auf dem MZI-Arm 5: die Phase und die Intensität. Damit man einen Schalter mit 2 guten Ausgängen erhält muss man dementsprechend diese 2 charakteristischen Grossen des Eingangssignals kontrollieren können. Der Schalter mit Modenteilern und Kombinieren, die vom 50:50 Teilungsverhältnis abweichen, erlaubt es diese 2 Grossen zu kontrollieren: 1.) durch die Wahl der Intensität des Kontroll-Signals wird auf einem Wellenleiter¬ arm im Eingangssignal ein Phasenshift von Δφj auf Δφ2 als Funktion der Inten¬ sität des Kontroll-Signals induziert. 2.) Der im Eingangssignal auf MZI-Arm 5 induzierte Phasenshift Δ j ist begleitet von einer Intensitätsänderung ΔI im Eingangssignal auf demselben Wellenleiter- arm des MZI nach Kramers-Kronig (KK). Nun kann man aber durch die Wahl des Teilungsverhälnisses im Moden-Teiler und Vereiniger dafür sorgen dass diese Intensitätsänderung gerade derjenigen entspricht, die benötigt wird um von einem Intenstitäsverhältnis pl der beiden Signale auf den MZI- Armen auf das für den 2. Schaltzustand benötigte Verhältnis von p2 zu gelangen.
Die Aufgabe einen Optisch-Optischen Schalter mit 1 möglichen guten Aus¬ gang zu erhalten kann mit dem in Fig. 11 gegebenen Schalter respektive Wellenlän¬ genkonverter und der Wahl eines Moden-Kopplers 121 , der vom 50:50 Teilungsverhältnis abweicht, gelöst werden. Wie beim Schalter mit 2 möglichen Aus- gangen erlaubt es dieser Moden-Koppler 121 , die in einem XPM-Schalter auftreten¬ den 2 Grossen zu kontrollieren.
Im folgenden bezeichnen wir mit 'asymmetrischen Moden-Teilern' Bauteile. die das Eingangssingal mit verschiedenen Teilungsverhältnissen auf die beiden MZI- Arme abbilden können, und mit 'asymmetrischen Moden- Vereinigen.' Bauteile, die 2
Signale mit verschieden Intensitäten zu einem einzigen Ausgangssignal vereinigen können. Die Geometrie dieser Bauteile kann aber sehr wohl symmetrisch sein. Asym¬ metrische Moden-Koppler können sowohl asymmetrische Moden-Teiler als auch asymmetrische Moden-Vereiniger sein.
Die Aufgabe einen Optisch-Optischen Schalter mit 2 Ausgängen mit guten On Off-Schaltverhältnissen zu erhalten kann mit dem im Text zu Fig. 10 gegebenen Schalter respektive Wellenlängenkonverter und der Wahl von asymmetrischen Mo¬ den-Kopplern 11 1 und 112 gelöst werden. Dank der Wahlfreiheit von Teilern und Vereinigen, mit verschiedenen Teilungsverhältnissen, kann man die Schalter so kon¬ struieren, dass der Phasenshifter zur Erreichung des Schaltzustandes überflüssig wird, da man den zweiten asymmetrischen Vereiniger 112 an die Phasenverhältnisse anpas¬ sen kann.
Als Moden-Koppler 1 1 1 und 112 eignen sich "Butterfly"-MMI's [P.A. Besse, et al., ECOC 1994, Sept 25-29 1994, p.669-67, Firenze]. Sie bieten als Teiler und Ver¬ einiger verschiedene Teilungsverhältnisse. Es ist möglich als Teiler Vereiniger 1 1 1 und Vereiniger/Teiler 112 zwei verschiedene "Butterfly"-MMI's zu wählen, so dass man den Schalter derart konstruieren kann, dass der Phasenshifter zur Erreichung des Schaltzustandes überflüssig wird, da man den zweiten asymmetrischen Vereiniger/ Teiler 1 12 an die Phasenverhältnisse anpassen kann.
In Fig. 12 ist ein Beispiel eines XPM-Optisch-Optischen Schalters mit 2 möglichen Ausgängen gegeben, der zur Ein- und Auskopplung des Eingangssignals B identische "Butterf]y"-MMI, als asymmetrische Moden-Koppler und zur Einkopplung des Kontroll-Signals "MMI-Converter-Combiner" verwendet. "Butterfly"-MMIs die beispielsweise 2 Ein- und Ausgänge haben, können als Moden- Koppler gebraucht werden. Die Wahl der Intensität des Kontroll-Signals und der Asymmetrie in den Moden- Kopplern erlaubt es, die beiden Schaltzustände zu optimieren.
Exemplarisch sei hier der Schaltvorgang von einem Eingangssignal B am Eingang 2 auf die Ausgänge 8 respektive 9 der Fig. 12 erklärt. Dabei werden wir folgende Notation gebrauchen: Der Phasenshift auf MZI-Arm 6 gegenüber jenem auf Arm 5 sei ΔΦ , ' unmittelbar hinter dem MMI 131 und ΔΦ , " unmittelbar vor dem MMI 132 falls das Emgangssingal am Eingang 2 eingeführt wurde. Für ein Eingangssignal am
Eingang 3 gebrauchen wir entsprechend die Phasenshifts ΔΦ2' und ΔΦ2" , wobei wir uns wiederum auf den Shift von MZI-Arm 6 gegenüber jenem auf MZI-Arm 5 beziehen Prinzipiell werden die Phasenunterschiede immer von Arm 6 relativ zu Arm 5 gerechnet ΔΦ, ist der notige Offset Phasenshift. ΔΦ2 ist der vom Kontroll-Signal erzeugte Phasenshift
- Eingangssignal am Eingang 2 auf Ausgang 8:
Das "Butterfly"-MMI 131 teilt das Einganssignal B der Intensität I0 im Verhält¬ nis p 1 = /, //2 auf die beiden MZI- Arme 5 und 6 auf. Dabei sei /, die Intensi¬ tät des Eingangssignals auf MZI-Arm 5 und /2 jene auf dem Arm 6 Es gilt /0 = /, + 72. Unmittelbar hinter dem MMI 131 haben die beiden Signale auf den beiden MZI- Armen relativ zueineander einen Phasenshift von ΔΦ,' Damit diese beiden Signale auf den MZI- Armen 5 und 6 am "Butterfly"-MMI- Vereiniger 132. der mit dem "Butterfly"-MMI 131 baugleich ist, wieder zu ei¬ nem einzigen Signal am Ausgang 8 vereinigt werden, müssen die Signale nach wie vor das Intensitatsverhaltnis pl , sowie die Phasenbeziehung
ΔΦ," = -ΔΦ', aufweisen Für diesen Schaltvorgang muss also lediglich die Phasenbeziehung zwischen den beiden MZI- Armen angepasst werden Z B konnte man mittels eines passiven Phasenshifter auf dem entsprechenden MZI- Arm einen Phasenshift von ΔΦ, = -2ΔΦ,' induzieren Dieser Phasenshift muss lediglich einmal an die Struktur angepasst werden und kann dann für alle
Schaltzustande fix belassen werden
- Eingangssignal am Eingang 2 auf Ausgang 9
Unmittelbar nach dem "Butterfly"-MMI 131 besitzen die Signale auf den beiden MZI-Armen wiederum das Intensitatsverhaltnis pl und den relativen Phasen- shift ΔΦ,' zueinander Damit das Eingangssignal auf den beiden MZI-Armen am "Butterfly"-MMI 132 zu einem einzigen Signal am Ausgang 9 vereinigt wird, muss das Intensitatstverhaltnis p2 = \/p \ und die Phasenbeziehung ΔΦ"2 = -ΔΦ2' erfüllt sein Mittels des Kontroll-Signals, das wir beispielsweise im MZI-Arm 6 einkoppeln, wird der dazu zusatzlich erforderliche Phasenshift ΔΦ2 auf dem MZI-Arm 6 er¬ zeugt Unter der Voraussetzung, dass der oben angelegte Phasenshift ΔΦ, im¬ mer noch am gleichen MZI-Arm angelegt ist, wird ein Phasenshift von ΔΦ-, = ΔΦj' - ΔΦ.,' benotigt Das Kontroll-Signal erzeugt aber im MZI-Arm 6 auch eine Intensitatsanderung AI im Eingangssignal Falls die Wahl der Asymmetrie im "Butterfly"-MMI gerade so gewählt wurde, dass gilt: p2 = 1 /p 1 = - — -— wird das Signal auf den Ausgang 9 geschaltet.
In Fig. 13 ist das Beispiel eines XPM-Optisch-Optischen Schalters mit 2 möglichen Ausgängen gegeben, der zur Ein- und Auskopplung des Eingangssignals B je verschiedene "Butterfly"-MMIs, als asymmetrische Modenteiler/Nereiniger 141 und Vereiniger/Teiler 142 verwendet und zur Einkopplung des Kontroll-Signals "MMI-Converter-Combiner" 143 und 146 verwendet. Dank der Wahlfreiheit von Tei¬ lern und Vereinigem mit verschiedenen Teilungsverhältnissen, kann man die Schalter so konstruieren, dass der Phasenshifter 135 und 139, wie er noch in Fig. 12 benötigt wurde, zur Erreichung der Schaltzustände überflüssig wird, da man den zweiten asym¬ metrischen Vereiniger/Teiler 142 an die Phasenverhältnisse anpassen kann. Zur Elimi¬ nierung eines allfälligen technologiebedingten Offsets in der Phase, kann es aber trotzdem von Vorteil sein, wenn man einen Phasenshifter vorsieht. Je nach Anwen¬ dung kann das Kontroll-Signal in einem zusätzlichen Bauteil 145 und/oder 148 wieder ausgekoppelt, rausgefiltert oder im MZI-Arm 5 und/oder 6 belassen werden. Die Aus¬ kopplung erfolgt vorteilhafterweise mit den in Fig. 2, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8 oder Fig. 9 gegebenen "MMI-Converter-Combinern".
Exemplarisch sei hier der Schaltvorgang von einem Eingangssignal B am Eingang 2 auf die Ausgänge 9 respektive 8 der Fig. 13 erklärt: - Eingangssignal am Eingang 2 auf Ausgang 9:
Das "Butterfly"-MMI 141 teilt das Einganssignal B der Intensität I0 im Verhält¬ nis p 1 = /, //2 auf die beiden MZI- Arme 5 und 6 auf. Wir verwenden dieselbe Notation wie bei der Beschreibung der Fig. 12. Unmittelbar hinter dem MMI ha¬ ben die beiden Signale auf den beiden MZI-Armen relativ zueineander einen Phasenshift von ΔΦ,' .
Das "Butterfly"-MMI 132, das nun folgt um die beiden Signale auf den MZI-Ar¬ men 5 und 6 wieder zu einem Ausgangssignal zu vereinigen, wird nun so ge¬ wählt, dass bei einem Intensitätsverhältnis pl der Intensitäten auf den MZI- Armen und einem relativen Phasenshift ΔΦ," = ΔΦ', der Phasen der beiden Signale, das Signal gerade auf den Ausgang 9 abgebildet wird. Im Gegensatz zum Schalter in Fig. 12 erzeugt nun das "Butterfiy"-MMI 141 am MZI-Eingang gerade das richtige Intensitätsverhältnis und die korrekte Phasenbeziehung, wie sie im "Butterfly"-MMI 142 am Ausgang des MZI benötigt werden. Es wird kein zusätzlicher Phasenshifter benötigt ΔΦ, = 0. Mögliche "Butterfly"-MMIs die sich wie oben ergänzen existieren. MMIs beste¬ hen im wesentlichen aus einem verbreiterten Wellenleiter in dem Interferenzef¬ fekte möglich sind. Z.B. könnte für das "Butterfiy"-MMI 141 ein "Butterfly"- MMI mit einer Verengung in der Mitte verwendet werden. Das entsprechende "Butterfly"-MMI 142 wäre dann ein "Butterfly"-MMI mit reziprokem Teilungs- Verhältnis 1/pl. Dieses müsste dann in der Mitte breiter werden.
- Eingangssignal am Eingang 2 auf Ausgang 8:
Der Schaltvorgang erfolgt analog zu jenem, der in Fig. 12 beschrieben wurde. Mit einem Kontroll-Signal auf beispielsweise MZI- Arme 6 wird ein Phasenshift ΔΦ2 = ΔΦ2' - ΔΦ,' erzeugt. Das Kontroll-Signal erzeugt auch eine Intensi- tätsänderung Δ7 im Eingangssignal des Arms 6. Falls die Wahl der Asymmetrie im "Butterfly"-MMI gerade so gewählt wurde, dass gilt: p2 = \ /p \ =
72-Δ7 wird das Signal auf den Ausgang 8 geschaltet.
Zur Einkopplung des Kontroll-Signals in einen XPM-Optisch-Optischen Schalter mit 2 guten Ausgängen ist der "3x3-MMI-Converter-Conbiner" Fig. 4a), be¬ sonders geeignet. Dieses Bauteil ist extrem kurz und besitzt eine grosse Wellenlängen- Bandbreite. Für das Eingangssignal B ist das MMI unsichtbar, da es zu fast 100% auf den Ausgang abgebildet wird. Das Kontroll-Signal wird als Mode erster Ordnung mit einer Konversionseffizienz von fast 66% in den MZI-Arm abgebildet. In Fig. 14 ist als Beispiel ein XPM-Optisch-Optischer Schalter mit 2 möglichen Ausgängen gegeben, der zur Ein- und Auskopplung des Eingangssignals B je verschiedene "Butterfly"-MMIs, als asymmetrische Modenteiler 151 und Vereiniger 152, wie im Text zur Fig. 13 beschrieben, verwendet. Zur Einkopplung des Kontroll- Signals werden "3x3-MMI-Converter-Combiner" 153 und 156 verwendet. Anstatt der Wahl von verschiedenen "Butterfly"-MMIs auf den beiden Seiten des MZI, wäre auch ein Schalter mit identischen "Butterfly"-MMI's auf beiden Seiten des MZI denkbar, wie es unter Fig. 12 beschrieben wurde.
Im Bauteil 159 werden die restlichen 33% des Kontroll-Signals in eine absorbierende Schicht geführt. Es gibt beliebig viele andere Möglichkeiten diese 33% des Kontroll- Signals aus der Struktur zu leiten.
Je nach Anwendung kann das Kontroll-Signal in einem zusätzlichen Bauteil 155 und/ oder 158 ausgekoppelt, rausgefiltert oder im MZI-Arm 5 und/oder 6 belassen werden.
Andere Möglichkeiten zur Einkopplung des Kontroll-Signals in einen XPM- Optisch-Optischen Schalter mit 2 möglichen Ausgängen bieten der "( 1 + 1 )x 1 -MMI- Converter-Conbiner" Variante 1, 2 oder 3 .
Optisch-Optische Schalter mit 2 Ausgängen mit guten On/Off-Schaltverhält¬ nissen können mit dem im Text zu den Fig. 12 oder Fig. 13 gegebenen Verfahren er- zielt werden. Zur Erziehung der guten On/Off-Schaltverhältnisse ist die Art und Weise wie man das Signal B in die MZI-Konfiguration ein- und auskoppelt wichtig. Der Auf¬ bau der MZI- Arme selber, der mittlere Teil, kann von der im Text zu Fig. 12 oder Fig. 13 beschriebenen Variante abweichen. In Fig. 15 ist ein Optisch-Optischer Schalter mit 2 Ausgängen mit guten On/Off-Schaltverhältnissen gegeben. Der Bereich mit den Kopplern 161 und 162 folgt dem Aufbau gemäss dem Text zu Fig. 12 oderFig. 13. Der mittlere Teil 163, der mehrere verschiedene Bauteile darstellt, dient zur Ein- evtl. auch Auskopplung eines Kontroll-Signals und zur Erzeugung des nichtlinearen Effekts - evtl. auch weiterer Funktionen. Zur Einkopplung des Kontroll-Signals können. MMI- Converter-Combiner aber auch beliebig andere Koppler verwendet werden. Es könn- ten dies z.B. 2x2-MMI, "3dB-Directional-Coupler", asymmetrische Y-Vereiniger,... sein. Das Kontroll-Signal könnte auch als Grundmode eingekoppelt werden. Es ist je¬ doch notwendig, dass es in 163 mindestens einen Bereich mit einem nichtlinearen Ma¬ terial gibt.
Die On/Off-Schaltverhältnisse in einem XPM-Schalter, Fig. 16, können auch durch das Anbringen von 2 verschieden starken bzw. grossen nichtlinearen Bereichen (z.B. verschiedene Ströme anlegen, falls das nichtlineare Medium aus Halbleiter- Verstärkern besteht,...), die sich innerhalb des Bereichs 173 und 174 befinden, verbessen werden. 173 und 174 stellen die MZI- Arme dar, die sowohl Elemente für das Ein- und evlt. Auskoppeln des/der Kontroll-Signale A, als auch das nichtlineare Medium und evtl. Phasenshifter enthalten. Angenommen das Kontroll-Signal erzeugt eine Intensitätsänderung von Δ7 am Einganssignal auf einem MZI-Arm, z.B . Arm 5 , so kann man die Stärke der beiden nichtlinearen Medien so wählen, dass wenn kein Kontroll-Signal vorhanden ist, das Eingangssignal auf dem Arm 5 um ca. Δ7/2 grösser ist als auf Arm 6. Nach Anlegen des Kontroll-Signals auf Arm 5 ist das Eingangssignal auf diesem Arm dann um ca. Δ7/2 kleiner als auf Arm 6. Diese Symmetrisierung nicht-idealer Schaltzuststände an den beiden Ausgangswellenleitem bewirkt, dass man 2 fast identische, relativ gute On/Off-Schaltverhältnisse an den 2 Ausgängen erhält. Im Fall wo man mit identischen nichtlinearen Medien starten würde, erhielte man ohne Kontroll-Signal ein gutes Schaltverhältnis und nach Anlegen des Kontroll-
Signals ein schlechtes Schaltverhältnis. Das Verwenden von verschieden starken, bzw. verschieden grossen nichtlinearen Medien erzeugt einen zusätzlichen Phasen- Shift, den man mittels der Wahl von geeigneten 50:50 Moden-Kopplern 171 und 172 kompensieren kann. Für den Moden-Koppler 171 wird ein Ix2-MMI der Länge L : L = 3LC (Gl. 7) verwendet. Für den Moden-Koppler 172 wird ein 2x2-MMI der Länge:
Figure imgf000028_0001
wobei die genauen Angaben zur Geometrie der MMIs der Referenz [M. Bachmann.
P.A. Besse, and H. Melchior, "General self-imaging properties in NxN multimode interference couplers including phase relations", Applied Optics vol 33, pp. 3905-
3911, July 1994] entnommen werden können. Mit der Wahl dieser Koppler, können die MZI- Arme symmetrisch gebaut werden, ohne dass ein zusätzlicher Phasenshifter notwendig ist. Anstelle des 2x2-MMI kann man auch andere 50:50-Koppler verwenden, die analoge Phasenverhältnisse für die Eingangssingale haben, damit es einen Schaltzustand gibt. (Gl. 1 )
Im Text zu Fig. 10 wurde ein Verfahren für einen Optisch-Optischen Schalter vorge¬ schlagen mit der Möglichkeit diesen zu kaskadieren und/oder bidirektional zu betreiben. Im Folgenden wird ein weiteres Verfahren für die Konstruktion eines kaska- dierbaren. bidirektional betreibaren Optisch-Optischen Schalters angegeben, der im Gegensatz zu dem Verfahren gemäss Fig. 10 nur monomode-Wellenleiter und nur bekannte Moden-Koppler besitzt.
Das allgemeine Verfahren wird in Fig. 17 illustriert. Das Signal B wird z.B. am
Eingang 3 eingekoppelt. Die Koppler 211 und 212 bilden ein Mach-Zehnder Interfe- rometer (MZI), hier als "äusseres" MZI bezeichnet. Um die nicht-linearen Intensitäts¬ änderungen zu kompensieren und gute On/Off-Schaltverhältnisse für den Cross und den Bar Zustand im Schalter/Konverter zu erhalten, werden die Teilungsverhältnisse in den Kopplern 211 und 212 angepasst. Diese Anpassung wurde oben ausführlich erklärt. In einen Arm des MZI wird das Kontroll-Signal A eingekoppelt. Um dieses Signal vom Signal B zu unterscheiden, wird der Arm als zweites MZI, genannt "inneres" MZI, gebaut. Dieses basiert auf dem Moden-Mischer 213 und dem Entmi- scher 216. 213 und 216 sind Moden-Koppler mit symmetrischen Teilungsverhält- nissen. Die Unterscheidung zwischen Signal B und dem Kontroll-Signal wird durch die unterschiedlichen relativen Phasen der Moden in den beiden Armen dieses "inneren" MZI gewährleistet. Optische nicht-lineare Bereiche 214a, 214b und 218 werden eingesetzt. Dies sind zum Beispiel optische Halbleiter- Verstärker. Die Bereiche 214a und 214b könnten auch zusammenhängend sein. Aktive oder passive Phasen-Shifter 215a, 215b und 219 werden irgendwo auf den "innern"-MZI-Armen angefügt, um die Interferenzen im Koppler 216 und 212 anzupassen. Mindestens einer der Phasen-Shifter 215a oder 215b wird gebraucht. Z.B. der Phasen-Shifter 215a wird so gewählt, dass das "innere" MZI im Bar-Zustand ist, d.h. der Eingang 1 geht in den Ausgang 7. Wegen der Symmetrie bleibt das "innere" MZI immer in diesem Bar- Zustand, egal ob das Kontroll-Signal eingekoppelt ist oder nicht. Der Phasen-Shifter 219 wird ohne Kontroll-Signal so gewählt, dass das Probe-Signal auf einem der Ausgänge 8 oder 9 herauskommt. Auch könnte zwischen dem Moden-Koppler 216 und 212 noch ein weiterer Phasen-Shifter angebracht sein. Das Kontroll-Signal bewirkt eine Intensitäts- und Phasen Aenderung zwischen dem "inneren" MZI und dem Arm 6. Die Intensitätsänderung kann durch die Wahl der Teilungsverhältnisse von 211 und 212 kompensiert werden (Text zu Fig. 15) oder die geeignete Wahl von Moden-Kopplern 211 und 212 mit verschieden starken nichtlinearen Bereichen auf den MZI-Armen des "äusseren" MZI (Text zu Fig. 16). Die Phasenänderung bewirkt das Schalten des Signal B zwischen den Ausgängen 8 und 9. Aus Symmetriegründen oder weil man ein zweites Kontroll-Signal einkoppeln möchte, kann ein zweites "inneres" MZI auf Arm 6 eingesetzt werden. Das gesamte Bauteil kann als rein optischer nicht-linearer Ix2-Schalter mit guten On/Off -Schaltverhältnissen wirken. Er ist kaskadierbar, da sowohl das Signal B als auch das Kontroll-Signal A wieder in anderen Bauteile gebraucht werden können oder zumindest relativ gut voneinander getrennt sind. Signal A und B können anschliessend wieder als Signal oder als
Kontroll-Signal gebraucht werden. Sowohl das Signal B als auch das Kontroll-Signal A können in umgekehrter Richtung eingekoppelt werden, so dass der Schalter bidirek¬ tional gebraucht werden kann. Auf allen Figuren sind die Modeformen des Signals B und des Kontroll-Signal A dargestellt. Des Kontroll-Signal ist weiss gezeichnet. Das Signal B ist schwarz oder punktiert (am Ausgang 9) gezeichnet. Alle Verbindungswel¬ lenleiter enthalten nur Grundmoden.
In Fig. 18 ist ein Beispiel einer Konstruktion des Optisch-Optischen Schalters aus Fig. 17 gegeben. Als Moden-Koppler 223, 226, 227 und 230 für die "inneren" MZI werden 2x2-MMI mit 50:50 Teilungsverhältnissen verwendet. Mehrere Lösungen existieren dazu. Für die Moden-Koppler 221 und 222 werden "Butterfly"-MMIs verwendet. Falls keine oder nur kleine Intensitätsänderungen auftreten werden normale MMI mit einer rechteckigen Geometrie und symmetrischen Teilungsverhältnissen verwendet. Die Wahl der Teilungsverhältnisse erfolgt gemäss dem Text zu Fig. 15. Um die Konstruktion zu vereinfachen, könnte man die "innern"-MZI so konstruieren (Z.B.
"innere"-MZI auf Kreisbögen setzen), dass ein Wegunterschied der einem π Phasen¬ shift zwischen den MZI-Armen entspricht resultiert. Die Phasen-Shifter wären dann überflüssig. Es kann jedoch von Vorteil sein, wenn man dennoch Phasen-Shifter zur Korrektur von technologiebedingten oder Konstruktionsbedingten Phasen-Shifts einbaut.
Im folgenden wird ein kompakter, nur aus wenigen Komponenten bestehender XPM- Optisch-Optischer Schalter beschrieben. Das Teilen des Signals B und das Einkoppeln des Kontroll-Signals A können durch ein einziges Bauteil, nämlich durch den Multi-Mode Interferenz MMI Moden-Koppler der Fig. 5a) erfolgen. Dasselbe MMI erlaubt das Vereinigen des Signals B und das Entkoppeln des Kontroll-Signals. Der mittlere Eingang 302, der mittlere Verbindungs¬ wellenleiter 308 und der mittlere Ausgang 305 sind im Zentrum beider MMI 311 und 312 plaziert. Diese Wellenleiter sollen so breit sein, dass sie Moden erster Ordnung führen können. Die äusseren Eingänge 301, 303, die äusseren Verbindungswellenleiter 307, 309 und die äusseren Ausgänge 304, 306 sind bündig oder zumindest fast bündig am MMI-Rand positioniert. Das Signal B wird in einem Eingang ganz am Rand des Eingangs-MMI eingeführt. Das Signal B spaltet sich in 2 Grundmoden auf, die in den Wellenleitern 307 und 309 geführt werden und einen Moden erster Ordnung der im Wellenleiter 308 geführt wird. Die Phasen müssen am Eingang des zweiten MMI adaptiert werden. Das kann mit Phasen-Shiftern 316, 317 und 318 passiv oder aktiv geschehen. Zum Beispiel kann passiv durch verschiedene Längen des Verbindungs¬ wellenleiters die folgende Bedingung erfüllt werden: Die äusseren Verbindungswel¬ lenleiter haben, am Eingang des zweiten MMIs, einen Phasenunterschied von ±π/2 verglichen mit den inneren Verbindungswellenleiter. Ohne Kontroll-Signal kommt dann das Licht in einem der äusseren Ausgänge heraus. Falls das Kontroll-Signal A angeschaltet ist. so führt dies zu einer Brechungsindex-Unterschied auf dem mittlern Verbindungswellenleiter 308, der im nichtlinearen Bereich 312 erzeugt wurde. Dadurch schaltet das Signal B vom einen äusseren Ausgangs-Wellenleiter zum andern. Das Bauteil kann sowohl für das Kontroll-Signal A als auch für das Signal B bidirektional betrieben werden. Das Bauteil ist kaskadierbar, da die Signale A und B getrennt werden.
Das Problem der langsamen Ladungsträger-Rekombinationszeit, die die Schaltge- seh windigkeit reduziert, kann z.B. durch das Einführen eines zweiten, zeitlich verschobenen optischen Kontroll-Signals in den zweiten MZI oder MI- Arm gelöst werden. Alternativ kann man auch die 2 nichtlinearen Bereiche örtlich gegeneinander verschieben und anstattdessen die Kontroll-Signale zeitgleich auf die beiden MZI- Arme senden. Alle oben diskutierten erfindungsgemässen Schalter können auf diese Arten betrieben werden. Im folgenden werden Beispiele von Schaltern gegeben, die dieses Problem anders lösen. Nämlich indem die optischen Signale zeitlich verschoben auf den gleichen nichtlinearen Bereich geführt, werden. Die Schalter können polarisations-unabhängig konstruiert werden. Sie eignen sich besonders als Multiplexer, Demulitplexer oder aber auch zur Erzeugung von kurzen Pulsen. Fig. 20 zeigt ein Beispiel eines XPM-Optisch-Optischen Schalters, der ein
Signal B in 2 durch die Ordnung des Mode unterscheidbare Anteile B' und B" aufspaltet und zeitlich verschoben auf den nichtlinearen Bereich 417 führt. Die Anordnung besteht aus 2 Moden-Kopplern 41 1 und 412, die das MZI bilden. Dies könnte z.B. eine MZI-Konfiguration gemäss dem Text zu Fig. 15 (mit 2 Eingängen) oder Fig. 16 (mit nur einem Eingang 401 ) sein. Feiner gibt es 2 Bereiche wo die
Wellenleiter 403, 404 sowie 406, 407 so anzuordnen sind dass die beiden Signale B' und B" zeitlich getrennt und wieder aufeinander zugeführt werden. Dies könnte z.B. mit einem längeren Wellenleiterarm 413 und 414 gemacht werden. Zur Konversion und Rückkonversion des einen Signals in einen Mode erster Ordnung wird ein "Converter-Combiner-MMI" (415 und 416) verwendet, wie es im Text zu den Fig. 4a, 5b. 6. 7 und 8 vorgeschlagen wurde. Es ist von Vorteil, wenn mindestes einer der Koppler 415 oder 416 ein 4x4-Converter-Combiner-MMI gemäss Fig. 5a ist, so dass das Kontroll-Signal als Mode erster Ordnung eingekoppelt werden kann. Je nach Wahl des "Converter-Combiner-MMIs" 415 und 416 muss man noch Wellenleiter 405d-g hinzufügen, um Verlustmoden wegzuführen. Man könnte das Kontroll-Signal auch als Grundmode mit einem geeignet gewählten Koppler auf dem Wellenleiter- Arm 405 einkoppeln. Zur Korrektur der Intensitäten und der Phasen ist es von Vorteil, wenn man noch Phasenshifter 419a und 419b sowie Signal-Verstärker irgendwo zwischen dem Koppler 416 und 412 plaziert. Es ist zu berücksichtigen, dass der Grundmode und der Mode erster Ordnung evtl. nicht gleich stark verstärkt werden und auf dem
Wellenleiter nicht zwingend die gleichen Brechungsindizes sehen. Zur Funktionsweise des Schalters: Falls nach dem passieren des ersten Signals B' kein Kontroll-Signal in 417 eingekoppelt wird, erfährt das nachfolgende Signal B" keinen zusätzlichen Phasen-Shift. Falls hingegen bevor das Signal B" oder währenddem B" in 417 ist ein Kontroll-Signal vorhanden ist, so erfährt B" einen Phasen-Shift. Dies führt dazu, dass das Signal B von einem Ausgangswellenleiter auf den andern schaltet. Je nach Anordnung der Bauteile kann der Schalter auf beide Seiten betrieben werden. Im Bereich des Wellenleiters 405 kann man weitere Bauteile plazieren.
Fig. 21 zeigt eine mögliche Realisierung des Verfahrens von Fig. 20. Die zeitliche Trennung und wieder aufeinander Zuführung der Signale geschieht mittels Kurven underschiedlicher Radien und evtl. einer Translation von 403 respektive 429a gegenüber 404 respektive 429b. Die Koppler 425 und 426 sind 4x4-Converter- Combiner-MMIs (Fig. 5a). Diese Wahl macht es möglich das Signal vom Wellenleiter 404 zu fast 100% auf den Wellenleiter 406 und das Kontroll-Signal auf Wellenleiter 402 zu fast 100% auf 408 abzubilden. Die aktiven oder passiven Phasen-Shifter 428a- c können dabei zur richtigen Einstellung der Phasen auf den 3 Wellenleitern benutzt werden. 429a und b sind zusätzliche nützliche aber nicht notwendige Phasen-Shifter. Die Signal- Verstärker 430a und b sind nützlich, aber nicht unbedingt notwendig. Das Kontroll-Signal A führt zu einer Phasen- und Ladungsträgeränderung auf allen 3 nichtlinearen Bereichen. Für das Signal B" ist jedoch nur diejenige auf dem nichtli¬ nearen Bereich 427b wichtig. Je nachdem wie stark diese Phasenänderung war. wird das Signal von Ausgang 409a auf Ausgang 409b und umgekehrt geschaltet. Die nicht¬ linearen Bereiche 427a-c müssen nicht die gleiche Geometrie haben.
Die optisch kontrollierten Schalter gemäss dem Text zu Fig. 15 und Fig. 16 mit guten On/Off-Schaltverhältnissen können auch als elektrisch kontrollierte Schalter betrieben werden. Dabei entfallen gemäss der Fig. 22 und Fig. 23 die Ein- und Ausgänge sowie die Koppler für das optische Kontroll-Signal. Das MZI wird hingegen gemäss dem Verfahren von Fig. 15 und oder Fig. 16 aufgebaut. Als nichtli¬ neare Bereiche werden Halbleiter-Verstärker 513, 514, 523 und 524 eingesetzt. Die Brechungsindex- und Intensitäts-Aenderung wird nun durch Anlegen eines modulier¬ baren Stromes an einem der nichtlinearen Bereiche, z. B. 513 respektive 523 erzeugt. Der andere nichtlineare Bereich wird mit einem konstanten Strom gespiesen.

Claims

0 Patentansprüche
1.) Verfahren zur Konversion von optischen Moden niederer Ordnung in Moden höherer Ordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Modenkonversion mittels Multi-Mode-Interferometem (MMI) erfolgt.
2.) Verfahren gemäss Anspruch 1 gekennzeichnet durch die zusätzlichen
5
Möglichkeit weitere optische Moden mit den konvertierten Moden zur Ueberla¬ ppung zu bringen, wobei die ausschliessliche Verwendung als Moden-Konverter nicht ausgeschlossen sein muss.
3.) Vorrichtung gemäss Anspruch 1, bestehend aus einem NxN-MMI (39), der frei
•0 wählbaren Breite W und der daraus resultierenden Länge für ein rechteckiges
MMI gemäss [M. Bachmann, et al., Applied Optics vol 33, pp. 3905-3911. July 1994] und mindestens einem Wellenleitereingang (31), dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl der Position des Wellenleitereingangs (31 ) für den zu konvertie-
. - renden optischen Mode an einer der MMI-Längskanten gewählt wurde und dass symmetrische Moden der Ordnung M (z.B. Grundmoden) auf einen oder mehrere Moden der Ordnung 2M+1 (z.B. Grundmoden auf erste Ordnungs¬ moden) und auf Moden der Ordnung M abgebildet werden.
4.) Vorrichtung gemäss Anspruch 2, bestehend aus einem MMI gemäss Anspruch 3 0 mit N=3K und mindestens einem weiteren Wellenleitereingang (43),(42), gekennzeichnet dadurch dass sich der oder die zusätzlichen Wellenleiterein¬ gänge (43),(42) in einem Abstand von 2W/3 respektive W/3, von der MMI- Längskante entfernt befinden und ferner gekennzeichnet durch die Eigenschaft. 5 dass es optische Grundmoden (A) auf (3K - 1 ) /2 respektive (3AT - 2) /2
Moden erster Ordnung abbildet, je nachdem ob K eine ungerade respektive gerade Zahl ist, wovon K Bilder mit den K Bildern eines zweiten Grundmode (B), dessen Bilder auf Grundmoden abgebildet werden, zur Ueberlappung gebracht werden können.
5.) Vorrichtung gemäss Anspruch 2, bestehend aus einem MMI gemäss Anspruch 3 mit N=4K und mindestens einem weiteren Wellenleitereingang, gekennzeichnet dadurch dass sich ein zusätzlicher Wellenleitereingang (52) in einem Abstand 4 von W/2 von der MMI-Längskante entfernt befindet und ferner gekennzeichnet 0 durch die Eigenschaft, dass es optische Grundmoden (A) auf 2K - 1 Moden erster Ordnung abbildet, wovon K dieser Bilder mit den K Bildern eines zweiten Grundmode (B), dessen Bilder auf Grundmoden abgebildet werden, zur Ueberlappung gebracht werden können.
6.) Verfahren mit MMI-Komponenten gemäss Anspruch 2, bestehend aus minde¬ stens einer MMI-Komponente gemäss Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass es einen optischen Grundmode (A) als Moden erster Ordnung vollständig auf .' Wellenleiter Ausgänge abbildet und zugleich ermöglicht einen weiteren optischen Grundmode (B), auf K Grundmoden aufzuspalten und mit den eben genannten K Moden erster Ordnung zur Ueberlappung zu bringen, wobei die Konversionseffizienz sowohl für den Grundmode (A) in die konvertierten K ersten Ordnungs-Moden als auch für den Grundmode (B) in die K Grundmoden fast 100% beträgt. Das Bauteil ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass es im Fall
15 K=l in umgekehrter Richtung als Moden-Trenner Grundmoden und Moden erster Ordnung, die sich im gleichen Wellenleiter befinden vollständig trennen kann.
7.) Vorrichtung mit MMI-Komponenten gemäss Anspruch 6, bestehend aus 2
Wellenleitereingängen für optische Grundmoden (61 ) und (62), einem Moden- 20 teuer 50:50 (63) mit dem ein Eingangsmode (A) in 2 gleiche Teile aufgespaltet werden kann und in die 2 Wellenleiter-Ausgängen (65) und (66) geführt wird, falls nötig einem oder zwei Phasen-Shifter (64), sowie einem MMI (69) gemäss
Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der Grundmode (B) auf die Mitte der
25 Eingansseite des MMI (69) geführt wird und dadurch, dass der vom Phasen¬ shifter erzeugte Phasenshift der Moden in den Wellenleitern (65) und (66) so gewählt ist, dass der eine Mode gegenüber dem andern Mode eine um 180° für K ungerade und 0° für K gerade versetzte Phase hat, und erst danach an der
,n unteren und oberen Frontseite in das MMI (69) geführt werden.
8.) Vorrichtung mit MMI-Komponenten gemäss Anspruch 6, bestehend aus einem 'General 2x2 MMI': Lichtteiler 50:50 (73) gemäss Referenz [M. Bachmann, et al., Applied Optics vol 33, pp. 3905-3911, July 1994]. der mit 2 Wellenleiter-
34 Eingängen (71),(72) und 3 Wellenleiter- Ausgängen (75), (76) und (77) versehen ist, einem Phasenshifter (74) auf einem der Wellenleiter, sowie einem MMI (69) gemäss Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der Grundmode (B) im Wellenleiter (72) zentral ins 2x2 MMI (73) geführt wird, ohne grosse Verän¬ derung aus diesem austritt und über den Wellenleiter (77) zentral ins MMI (69) geführt wird, sowie durch den Wellenleiter (71 ), der mit dem zu konvertierenden Mode im 2x2 MMI (73) auf 2 Moden gleicher Intensität augespalten wird, wovon einer dieser Moden im Phasenshifter (74) gegenüber dem anderen Moden eine um 180° für K ungerade und 0° für K gerade versetzte Phase erhält
10 und erst danach an der unteren und oberen Frontseite in das MMI (69) geführt werden.
9.) Vorrichtung mit MMI-Komponenten gemäss Anspruch 6, bestehend aus einem 'General 2x2 MMI': Lichtteiler 50:50 gemäss Referenz [M. Bachmann, et al.. ]5 Applied Optics vol 33, pp. 3905-3911, July 1994], das mit mindestens 2 Wellen¬ leiter-Eingängen versehen ist und dem sich unmittelbar das unter Anspruch 5 beschriebenen MMI anschliesst, so dass ein einziges MMI (89) entsteht, dadurch gekennzeichnet dass der notwendige Phasenshift, der zur Erzeugung der Eigen¬ schaften gemäss Anspruch 6 benötigt wird, durch eine Verdrehung des zweiten
20 MMI (69) gegenüber dem 2x2 MMI (63) erzeugt wird.
10. ) Vorrichtung bestehend aus einem (2K)x(2K)-MMI, der frei wählbaren Breite W und der daraus resultierenden Länge für ein rechteckiges MMI gemäss [M. Bachmann, et al., Applied Optics vol 33, pp. 3905-3911, July 1994], wobei die 25 Form nicht zwingend rechteckig sein muss und die Länge dann von der berech- neten abweichen kann, 2 Wellenleitern an den möglichen Eingangspositionen in /— W
Λ( = mit i=l, 2, ..., 2K-1 , gekennzeichnet durch die Eigenschaft, dass die
Summe der Intensitäten an den Ausgängen x°" = W-j— mit j=l, 2 2K-
■' K
-,„ 1 und +j gerade, bei der Wahl einer gleichen Eingangsposition für den normierten symmetrischen und den normierten antisymmetrischen Mode oder bei der Wahl einer Eingansposition i = 2p für den symmetrischen Mode und ' = 2K- 2p für den antisymmetrischen Mode, an allen Ausgängen j die
34 0 gleiche konstante Intenstätsverteilung ergibt. Das Bauteil ist ferner gekenn¬ zeichnet durch dieselben Intensitäsverhältnisse am Ausgang j für die beiden Moden verschiedener Symmetrie bei der Wahl der Eingangsposition i = 2p + l für den symmetrischen Mode und ' = 2K - 2p - \ für den antisymmetrischen Mode. Ganz allgemein gekennzeichnet durch verschiedene Teilverhältnisse der Intensitäten der symmetrischen und der antisymmetrischen Moden an den Ausgängen.
11.) Verfahren für Kreuz-Phasen-Modulierte (XPM) Optische-Optische Schalter mit •0 zwei Ausgängen respektive Wellenlängenkonverter gekennzeichnet durch einem Modenteiler (111) respektive ( 112) falls umgekehrt betreiben, mit minde¬ stens einem Wellenleitereingang für ein optisches Eingangs-Signal (B), der das Eingangssignal (B) auf die 2 Arme (5) und (6) des Mach-Zehnder-Interfero- . .. meters (MZI) aufspaltet, einem oder zwei Bereichen mit nichtlinearem optischem Material ( 114) und oder ( 1 18), aktiven oder passiven Phasenshiftern ( 115) und oder (119), einem Moden- Vereiniger ( 112) respektive ( 111 ), der das Eingangssignal (B) auf den beiden MZI-Armen je nach Intensitätsverhältnis und
Phasenbeziehung auf einen der beiden Ausgangswellenleiter (8) oder (9) 0 abbilden kann, wobei je nach Wahl des Modenteilers und Moden- Vereinigers die
Einkopplung des Eingangs-Signals auch an den 'Ausgangswellenleitem' (8) oder (9) erfolgen kann, sowie gekennzeichnet durch einen oder zwei Modenver- einigern ( 113) und/oder (117), die das Einkoppeln eines Kontroll-Signals 5 erlauben und allenfalls Bauteilen ( 116) und ( 120) zur Extraktion oder Herausfil¬ terung des Kontroll-Signals oder zur Einkopplung eines weiteren Signals, gekennzeichnet dadurch, dass das Einkoppeln des Kontroll-Signals und die Konvertierung desselben auf einen Mode erster Ordnung sowie die Ueberla¬ ppung des Mode erster Ordnung mit dem Eingangssignal mittels eines "Multi- Mode-Interferometer (MMI) - Converter-Combiners" gemäss Anspruch 2 respektive Anspruch 4-9 erfolgt.
12.) Verfahren für Kreuz-Phasen-Moduliertem (XPM) Optisch-Optischen Schalter 4 mit einem möglichen Ausgang respektive Wellenlängenkonverter bestehend aus einem Moden-Koppler (121) mit mindestens einem Wellenleitereingang für ein optisches Eingangs-Signal (B), der das Eingangssignal (B) auf die 2 Arme (5) und (6) des Michelson-Interferometers (MI) aufspaltet, einem oder zweien Bereichen mit nichtlinearem optischem Material (124) und/oder (127), aktiven oder passiven Phasenshiftern (123) und oder ( 126), einer reflektierenden Schicht (128), welche die einfallenden optischen Eingangs-Signale zurückspiegelt und im Moden-Koppler (121) auf ein Ausgangswellenleiter abbildet, sowie bestehend aus einem oder zwei Moden-Koppler (122) und/oder (125), die das Einkoppeln eines Kontroll-Signals erlauben, gekennzeichnet dadurch, dass das
10 Einkoppeln des Kontroll-Signals und die Konvertierung desselben auf einen Mode erster Ordnung sowie die Ueberlappung des Mode erster Ordnung mit dem Eingangssignal mittels eines "MMI-Converter-Combiners", gemäss Anspruch 2 respektive Anspruch 4-9 erfolgt.
15 13.) Verfahren gemäss Anspruch 11 , gekennzeichnet durch Moden-Koppler ( 11 1 ) und ( 112), die es erlauben, das respektive die Eingangssignale (B) mit verschie¬ denen Teil verhältnissen auf die beiden MZI- Arme (5) und (6) abzubilden und an den Ausgängen wiederzuvereinigen, so dass man einen Schalter-/Wellenlängen- konverter mit guten On/Off-Schaltverhältnissen erhält.
20 14.) Verfahren gemäss Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen asymmetrische Modenteiler ( 121 ), der es erlaubt, das Eingangssignal (B) mit verschiedenen Teilverhältnissen auf die beiden MZI-Arme (5) und (6) abzubilden, so dass man ein gutes On/Off-Schaltverhältnis erhält.
2 15.) Verfahren für XPM-Optische-Optische Schalter mit 2 möglichen Ausgängen respektive Wellenlängenkonverter gemäss Anspruch 13 .gekennzeichnet durch Moden-Koppler( 111 ) und (112), die verschieden sind, so dass diese zusätzliche Wahlfreiheit dazu benutzt werden kann, um den Offset in den Phasenshiftern
,0 ( 115) und/oder ( 1 19) zu eliminieren und Phasenshifter irgendwo auf den MZI-
Armen nützlich aber nicht zwingend sind (bei symmetrischer MZI-Geometrie).
16.) Verfahren gemäss Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Verwendung von "Butterfly"-MMI Modenteiler/-vereiniger( l l l) und "Butterfly"-MMI Moden-
34 0 vereiniger/-teiler (112).
17.) Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Verwendung von möglichst identischen "Butterfly"-MMIs, als Moden-Koppler (131) und ( 132).
18.) Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die Verwendung von "Butterfly"-MMIs, als Modenteilert-vereiniger (141) und Modenvereiniger/- teiler ( 142) mit ungefähr reziproken Teilungs- respektive Vereinigungsverhält¬ nissen.
19.) Vorrichtung nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass das Einkoppeln des Kontroll-Signals und die Konvertierung desselben auf einen Mode erster Ordnung sowie die Ueberlappung des Mode erster Ordnung mit dem Eingangssignal mittels eines "3x3-MMI -Converter-Combiners" gemäss Anspruch 4 erfolgt.
20.) Vorrichtung nach Anspruch 17 oder Anspruch 18 gekennzeichnet dadurch, dass
15 das Einkoppeln des Kontroll-Signals und die Konvertierung desselben auf einen
Mode erster Ordnung sowie die Ueberlappung des Mode erster Ordnung mit dem Eingangssignal mittels eines "( l+l )xl-MMI-Converter-Combiners"
Variante 1 (Anspruch 7) oder eines "(l + l)xl -MMI-Converter-Combiners"
Variante 2 (Anspruch 8) erfolgt. 20
21.) Verfahren zur Verbesserung der On/Off-Schaltverhältnisse an den Ausgängen von Optisch-Optischen Schaltern gemäss Anspruch 17 oder Anspruch 18. gekennzeichnet durch einen mittleren Teil (163), welcher die Ein- und/oder
Auskopplung eines oder mehrer Kontroll-Signale, mittels beliebiger Koppler,
25 die das Kontroll-Signal als Grundmode oder als Mode höherer Ordnung erlauben, der mindestens einen Bereich mit nichtlinearem Material, evtl. Phasenshifter und evtl. weitere optische Komponenten enthält.
22.) Verfahren zur Verbesserung der On/Off-Schaltverhältnisse an den Ausgängen
~n von Optisch-Optischen Schaltern oder Wellenlängenkonvertern gekennzeichnet durch eine MZI-Struktur oder Mi-Struktur (z.B. gemäss Anspruch 11 oder 12) mit Kopplern für das Ein- und evtl. Auskoppeln eines Kontroll-Signals als Grundmode oder Mode höherer Ordnung in die MZI-Arme ( 173) und/oder
34 (174), wobei das Kontroll-Signal je nach Wahl der Koppler von links und/oder rechts her eingekoppelt werden könnte und dadurch, dass die Verbesserung der On/Off-Schaltverhältnisse mittels Anlegen von verschieden starken oder verschieden grossen nichtlinearen Bereichen auf den MZI- oder MI-Armen (173) und/oder (174) geschieht, so dass man 2 fast identische, relativ gute On/ Off-Schaltverhältnisse auf den Ausgängen erhält. Die notwendigen Anpas¬ sungen des Offset-Phasen-Shiftes, die von den nicht-identischen nichtlinearen Medien herrühren, erfolgen durch die geeignete Wahl von Moden-Kopplern (171) oder/und (172). Der Moden-Koppler (171) ist dabei ein Ix2-MMI der
10 Geometrie gemäss (Gl. 8) und der Moden-Koppler (172) ist ein 2x2-MMI der Geometrie gemäss (Gl. 9) beziehungsweise ein 3dB-Koppler mit den Phasenver¬ hältnissen, wie man sie beim 2x2-MMI gemäss der (Gl. 9) hat.
23.) Vorrichtung gemäss Anspruch 22 gekennzeichnet durch die Verwendung von 15 Converter-Combiner-MMIs gemäss Anspruch 4 oder Anspruch 6 zur Ein¬
Kopplung des oder der Kontroll-Signale.
24.) Verfahren zur Herstellung von XPM-Optisch-Optischen Schaltern, gekenn¬ zeichnet dadurch, dass das Mischen und Entmischen des Signals B und des
Kontroll-Signals A mittels eines sogennaten "innerem" MZI erfolgt, wobei aus 20
Symmetriegründen oder weil ein weiteres Kontroll-Signal verwendet wird noch ein weiteres "inneres" MZI auf dem "äusseren" MZI angefügt werden kann.
25.) Vorrichtung gemäss Anspruch 24 gekennzeichnet durch die Verwendung von
"Butterfly"-MMIs, als asymmetrische Koppler für das "äussere"-MZI gemäss
25 Anspruch 21 und durch die Verwendung von 2x2-MMIs für die "innerem" MZI.
26.) Vorrichtung gemäss Anspruch 24 gekennzeichnet durch die Verwendung von - 1x2 und 2x2-MMIs als symmetrische Koppler für das "äussere"-MZI gemäss Anspruch 22 und durch die Verwendung von 2x2-MMIs für die "innerern" MZI.
27.) Verfahren zur Konstruktion von kompakten XPM-Optisch-Optischen Schaltern dadurch gekennzeichnet, dass zur Ein- und Auskopplung des Signals (B ) und des Kontroll-Signals (A) nur 2 MMI (311) und (312) gemäss Anspruch 5 mit K=l gebraucht werden, wobei diese MMIs mit 2 oder 3 Eingängen und 3
34 Ausgängen benutzt werden.
28.) Verfahren zur Konstruktion eines Optisch-Optischen Schalters gekennzeichnet dadurch dass das Signal B auf ein MZI, gebildet durch Moden-Koppler (411) und (412), geführt wird und dass die beiden Signale B' und B" des MZI zeitlich getrennt als Moden verschiedener Ordnung in einen nichtlinearen Bereich (417) geführt werden, in Grundmoden zurückkonvertiert und auf verschiedene Wellenleiter abgebildet werden und zeitlich wieder so aufeinander abgestimmt werden, dass sie im Moden-Koppler (412) zur Interferenz gebracht werden können. Je nachdem ob das Kontroll-Signal nach dem Signal B' aber noch vor oder spätestens während dem Signal B" in den nichtlinearen Bereich einge¬ koppelt wurde, wird das Signal B auf den einen oder andern Ausgang (409a) oder (409b) geschaltet.
29.) Vorrichtung gemäss Anspruch 28 gekennzeichnet durch die Verwendung von 4x4-Converter-Combiner-MMIs (425) und (426) gemäss Anspruch 5.
30.) Verfahren gemäss Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltvorgang nicht durch ein Kontroll-Signal sondern durch eine Strom-Modulation auf einem der beiden nichtlinearen Bereiche (513) oder (514) erfolgt.
31.) Verfahren gemäss Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltvorgang nicht durch ein Kontroll-Signal sondern durch eine Strom-Modulation auf einem der beiden nichtlinearen Bereiche (523) oder (524) erfolgt.
PCT/CH1996/000035 1995-02-01 1996-01-29 Kompakte optisch-optische schalter und wellenlängen-konverter mittels multimode-interferenz moden-konvertern WO1996024080A2 (de)

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