EP0754310A1 - Verbindungsaufspalter aus streifen-wellenleitern und verwendungen - Google Patents

Verbindungsaufspalter aus streifen-wellenleitern und verwendungen

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EP0754310A1
EP0754310A1 EP96904002A EP96904002A EP0754310A1 EP 0754310 A1 EP0754310 A1 EP 0754310A1 EP 96904002 A EP96904002 A EP 96904002A EP 96904002 A EP96904002 A EP 96904002A EP 0754310 A1 EP0754310 A1 EP 0754310A1
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EP
European Patent Office
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light
eobsw
wavelength
strip
optical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96904002A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Rasch
Matthias Rottschalk
Jens-Peter Ruske
Volker Gröber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LDT Laser Display Technology GmbH
Original Assignee
LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19503930A external-priority patent/DE19503930A1/de
Application filed by LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG filed Critical LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG
Publication of EP0754310A1 publication Critical patent/EP0754310A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02F1/3137—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions

Definitions

  • the invention relates to a connection splitter which is used for the spatial merging or splitting of light of different wavelengths or different wavelength ranges from a comparatively large wavelength spectrum. If required, this broadband connection splitter is used for switching, deflecting or for modulating light. The invention further relates to uses of this broadband connection splitter
  • the single-mode strip waveguides used for the broadband connection splitter are single-mode integrated-optical broadband strip waveguides or white light strip waveguides, which are described in the patent application filed on the same day “Strip waveguides and uses”.
  • the invention is furthermore in Relation to the same day patent application "Color Imaging Systems and Uses"
  • light means visible and invisible (infrared and ultraviolet) electromagnetic radiation, but in particular discrete wavelengths or wavelength ranges of visible radiation in the wavelength spectra from 400 nm to 760 nm.
  • Stripe waveguides are waveguides that are based on the principle of total reflection of light, caused by an increase in the refractive index in the waveguiding area, based on the surrounding medium 3 State of the art
  • Connection splitters for a bandwidth of less than 95 nm (information applies to short-wave visible light) are known.
  • Discrete strip waveguides are combined for the purpose of combining light by the principle of two-mode interference known per se
  • an integrated optical switching or distribution element such as an X-coupler, directional coupler, parallel strip coupler or BOA
  • BOA is a French-language term (bifurcation optique active) for a group of integrated optical components (see M Papuchon, A Roy, DB Ostrowsky, "Elect ⁇ cally active optical bifurcation BOA", Appl Phys Lett, Vol 31 (1977) pp 266-267)
  • connection splitting - with simultaneous demand for efficient modulability and / or switchability of the light - is dependent on the single-mode of the strip waveguide, which form the inputs and outputs of the connection splitter, single-mode is in known strip waveguides for wavelength ranges with a bandwidth large about 130 nm (information applies to short-wave visible light) not given
  • connection splitting based on known strip waveguides, for example the titanium-diffused strip waveguide in L ⁇ Nb ⁇ 3, the usable wavelength range is reduced by about 35 nm compared to that of the associated single-mode strip waveguide, since in connection splitters based on two-mode interference, such as Y-splitters, directional couplers, parallel-strip couplers, X-couplers or BOA, the oscillation of the second mode in the lateral direction in the connection or splitting area must be avoided. This is the prerequisite for a constant division ratio of the light output during splitter operation in the entire
  • the use of one and the same single-mode strip waveguide is necessary, which technically, effectively transmits all wavelengths with a bandwidth greater than about 130 nm (information applies to short-wave visible light)
  • Technically sufficient effectiveness means that the effective refractive index N e ⁇ j of the mode guided in the strip waveguide must be at least 5x10 " ⁇ above the refractive index of the surrounding material n s .
  • an interferometric tunable optical filter is known.
  • the optical filter splits an input signal into several waveguide branches.
  • the amplitude and the phase of the signal are individually controlled in each branch.
  • the signals are then recombined in a waveguide
  • the filter element serves as a demultiplexer for wavelength division multiplexing in communications technology for wavelengths between 800 nm and 1.6 ⁇ m with a comparatively small bandwidth
  • the present invention has for its object to spatially merge or split light radiation of a wide wavelength spectrum or a plurality of discrete wavelengths with a large wavelength distance and, if necessary, to modulate, deflect and / or switch the radiation s light before it is merged or when merging or after merging contain several wavelengths or wavelength ranges, in particular all wavelengths or specific wavelength ranges of a bandwidth ⁇ > 95 from the spectrum of visible light.
  • broadband connection splitters broadband strip waveguides are also necessary which have an emmodem controllable wavelength range of at least 130 nm (information applies to short-wave visible light)
  • connection splitter made of strip waveguides with the features of main claim 1.
  • Subclaims 2 to 6 characterize geometric and optical configurations of the connection splitter according to the features of main claim 1.
  • Subclaims 7 to 20 are advantageous configurations of main claim 1.
  • the broadband connection splitter is used according to the invention according to the features of claims 21, 22, 23, 27 , 34, or 35.
  • Subclaims 24 to 26 are configurations of main claim 23.
  • Subclaims 28 to 33 are configurations of main claim 27.
  • Subclaim 36 is a configuration of main claim 35.
  • At least two single-mode integrated optical strip waveguides which do not necessarily have to be broadband, but should advantageously be, are brought together in such a way that a subsequent single-mode integrated broadband optical waveguide - hereinafter referred to as EOBSW - spatially merges Light passes on.
  • the EOBSW is structured according to the patent application filed on the same day "Strip Waveguides and Uses".
  • This EOBSW is able to transmit light broadband and single mode.
  • Broadband means that radiation of different wavelengths, in particular of visible light, with a bandwidth
  • One mode means that for any given wavelength, one and only one effective refractive index, namely the effective refractive index NQQ of the basic mode in the EOBSW. is assignable (Figure 9).
  • An effective refractive index ie the effective refractive index of the basic mode NQO ', can be assigned to any given wavelength in the range between ⁇ a and ⁇ a + ⁇ w .
  • the range of the single mode is characterized, on the one hand, by the technically efficient oscillation of the basic mode NQQ at the wavelength ⁇ a + ⁇ w and, technically, by the efficient oscillation of the first mode i lateral direction NQ -
  • Wavelength ⁇ a determined on the other hand.
  • the values of ⁇ a and ⁇ a + ⁇ w are determined by the geometrical-material parameters of the strip waveguide itself and of the media surrounding the strip waveguide. In principle, the minimum
  • Wavelength ⁇ max determined by the optical transmission range of the materials used.
  • the minimum value of the transmission range is about 350 nm and the maximum value is about 4 ⁇ m.
  • the waveguide attenuation and the efficiency of the optical coupling between the EOBSW and an emmode optical fiber should not change by more than 30% in the entire single-mode wavelength range, since light with the aid of emmode optical fibers is generally used in the EOBSW Coupling is not possible with conventional stripe waveguides e.g.
  • red and blue light can be guided in one and the same stripe waveguide with one single mode and with sufficient technical effectiveness
  • the refractive index profile of the EOBSW, cross-sectional shape (for example width and depth) and position of the EOBSW in or on the substrate are dimensioned in such a way that single-mode operation of the EOBSW is ensured in a large wavelength range, especially in the entire range of visible light (see general dimensioning requirements) for integrated optical strip waveguides in W Karthe, R Muller, Integrated Optik, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K -G, Leipzig, 1991)
  • the novel EOBSW are by specifically adapted method - ⁇ their preparation and by their specific properties characterized Physical requirements of the Substratmate ⁇ al consist narrowly limited in the Feasible e • lateral stripe waveguide structures (for example, by utilizing em - diffusion anisotropy in ion exchange), and / or a wavelength dependent * " • (dispersion) of the refractive index increase necessary for the waveguide (and related to the material surrounding the EOBSW) - n s according to ⁇ e formula
  • the EOBSW is manufactured using one of the following processes:
  • KTiOP ⁇ 4 KTP
  • LiNbOß LiNbOß
  • LiTaÜß LiNbOß
  • EOBSW in II-VI or III-V semiconductor materials produced by epitaxial deposition processes on suitable substrates, such as S1O2,
  • EOBSW in and on a suitable substrate material, preferably Si, by combining Si, S1O2 and SiON and / or other oxidic and / or nitride layers,
  • optical strip waveguides in particular ion exchange or ion diffusion in dielectric crystals or ion exchange in glass, can advantageously be combined with the method of ion implantation in order to obtain narrowly limited structures.
  • At least three strip waveguides, of which at least one EOBSW, are brought together in such a way that a bringing together, splitting, switching, deflection or modulation of light is possible.
  • This can be done using integrated optical components based on two-mode interference such as Y-splitters, X-couplers, directional couplers, parallel-strip couplers or BOA (in: W. Karthe, R Müller. Integnerte Optik, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K -G. , Stuttgart, 1991).
  • integrated optical or micro-optical reflectors can be used to split the connections.
  • the at least one EOBSW of the broadband splitter must be designed so that light corresponds to a wide wavelength range
  • ⁇ and ⁇ in nm are performed in one mode, in particular light of discrete wavelengths or discrete narrow wavelength ranges from the entire visible spectrum.
  • the broadband connection splitter is dimensioned by its geometric and optical parameters so that an efficient function over a wide wavelength range accordingly
  • broadband connection splitters it is preferably possible to split the light of the entire visible wavelength range efficiently, especially blue and red light at the same time.
  • a bandwidth which can be split up and which corresponds to the entire visible wavelength range of light there is a real white light splitter.
  • a second criterion with regard to the determination of the broadband bandwidth compared to the EOBSW occurs, which limits the usable bandwidth.
  • the oscillation of the second lateral mode NQ2 in the broadened coupling area must be prevented.
  • of the connection splitter is consequently determined by the smaller value of the difference in the wavelengths of the oscillation of the basic mode NQQ in the strip waveguide and the first lateral or depth mode (NQI or N ⁇ Q).
  • the broadband connection splitter according to the invention is advantageously used to combine light from a wide spectral range, in particular the total visible spectral range of light, in a common EOBSW.
  • all the strip waveguides of the Breitb connection splitter are EOBSW
  • the coupling point controllable unit is designed for beam combination and / or beam deflection.
  • the broadband connection splitter contains a modulation device for converting a suitable, generally electrical input signal into an optical amplitude or intensity signal, which has a separate active one Control of the light of two or more light sources or wavelengths up to very high control frequencies (according to the current state of the art up to the GHz range)
  • the amplitude or intensity modulation of the light is carried out according to one of the following principles
  • thermo-optical modulation of the light with the help of an integrated optical interferometer structure
  • controllable polarization rotation in connection with a polarizing component or polarizing waveguide
  • a spatial merging and / or splitting and / or deflection of light components and / or beam deflection takes place in the passive case and, in the active case, there is additionally modulation or switching of the light components
  • the broadband connection splitter can advantageously be operated in such a way that light from light sources of different wavelengths is coupled successively into the respective strip waveguide or EOBSW, the light components are spatially combined in the coupling point and the temporally successive light components are modulated in the common EOBSW (time-division multiplex operation)
  • EOBSW time-division multiplex operation
  • the invention relates to the use of the broadband splitter in arrangements which require simultaneous guidance of light of several wavelengths within a usable wavelength range of a few 100 nm in an EOBSW and in which a control possibility of the light amplitude or the intensity is required for the purpose of Color mixing, the measuring technology, the Senso ⁇ k, the photomet ⁇ e and the spectroscopy, eg using interferometric methods, whereby the basis for a new multifunctional microsystem component family is given
  • EOBSW in connection with the modulation mechanisms lays the foundation for new integrated optical detection and spectroscopy methods, which work eg interferometrically, and creates the possibility of the simultaneous or sequential use of several wavelengths from a wide wavelength range in an EOBSW, the application is not limited to the visible range of electromagnetic radiation.
  • the advantages of the invention consist in the possibility of producing devices and, for example, electro-optical modules that can be manufactured using mass production processes and that can be miniaturized in their dimensions. With the help of the invention, light sources, connection splitting and / or to integrate connection, control and detection monolithically or hybrid on a carrier
  • the integrated optical implementation of the measuring arrangements favors a miniaturized structure in analytical measuring devices, in addition, the smallest sample quantities are sufficient for analysis These smallest sample quantities can be used with high measuring accuracy since the measuring window only has to be a little wider than the EOBSW and the length of the measuring window can be in the millimeter range
  • FIGS. 1 to 4 show basic arrangements of the broadband connection splitter.
  • FIG. 5 shows the structure and the refractive index curve in a Ti LiNbOß strip waveguide.
  • Figure 7 Representation of the structure and the refractive index curve in one
  • FIG. 12 broadband connection splitter with Mach-Zehnder
  • Interferometer modulators Figure 13 broadband connection splitter from parallel strip couplers with controllable light sources
  • Figure 18 broadband connection splitter with controllable units for
  • FIG. 30 broadband connection splitter with frequency converters for the spatial convergence of light components.
  • FIG. 31 broadband connection splitter for generating light components of different wavelengths from light of one wavelength.
  • FIG. 32 broadband connection splitter for generating light components of different wavelengths from light of a wavelength with spatial convergence.
  • FIGS. 33 to 35 sensors for measuring long and crushed-tooth landings
  • FIGS 1 to 4 show basic embodiments of a broadband
  • Strip waveguide in LiNbOß and a conventional connection splitter based on such strip waveguides are illustrated in FIG. 5 and FIG. 6.
  • the characteristics of a single-mode integrated optical broadband strip waveguide (EOBSW) according to the invention and a broadband according to the invention are illustrated -Connector splitter with regard to their bandwidths using a Rub ⁇ d ⁇ um ⁇ Kal ⁇ um ion-exchanged strip waveguide in
  • Refractive index N e ff 2 of the mode in the strip waveguide based on the value of the
  • Refractive index of the substrate n- j chosen as a function of the wavelength ⁇ everyone
  • N e f The value of N e f depends on the wavelength, the substrate, superstrate and
  • Each mode with the index ik (i, k> 0, integer) is thus represented in the diagrams with its effective refractive index as line Nj
  • the strip waveguide is single-mode, if at a given wavelength there is a wavelength range and only one effective refractive index - namely the effective one
  • Refractive index NQQ of the basic mode - can be assigned.
  • Refractive index of the respective mode is at least 5 x 10 " ⁇ over n
  • the bandwidth can thus be read directly.
  • FIG. 9 is a generalized representation of the technically, single-mode, efficiently feasible wavelength range in the strip waveguide and the
  • FIG. 10 shows the wavelength range of the strip waveguide which can be carried out in one mode and the wavelength range of the efficient splitting of the connection for the case of the EOBSW according to the invention in Rubidiurr ⁇ ⁇ potassium ion-exchanged KT ⁇ OPO4
  • LiNbO 3 depending on the wavelength ⁇ itself.
  • the area of the EOBSW and broadband connection splitters according to the invention is generally delimited in FIG. 10 in the general form of strip waveguides and connection splitters which correspond to the prior art.
  • Figures 1 to 4 first show basic embodiments of a broadband connection splitter.
  • FIGS. 1 to 4 show single-mode integrated optical broadband strip waveguides (hereinafter referred to as EOBSW) 2, 3 and 5, which are introduced into a substrate material 1.
  • EOBSW 2 and 3 each have an input E-
  • the coupling point is designed in the Y-shape. The Y shape is not mandatory.
  • Other devices for two-mode interference, such as parallel strip couplers according to FIG. 2, X-couplers according to FIG. 3, directional couplers or BOA can also be implemented. If necessary, the coupling point 6 can be actively influenced.
  • the coupling point 6 is designed as a controllable unit for beam combination and / or beam deflection 7.
  • all stripe waveguides (EOBSW) 2, 3 and 5 are of the same type and carry light over a large wavelength range, greater than approximately 130 nm (specification applies to short-wave visible light), single-mode, in order to light with a wavelength range greater than approximately 95 nm to be able to split connections efficiently (see FIGS. 3, 5 and 6).
  • the property of the coupling-in strip waveguide 2 and 3 to be EOBSW is not mandatory, but is advantageous for an application in any case.
  • the first EOBSW 2 is at its input E-
  • the second EOBSW 3 is exposed to light of the wavelength ⁇ 2 or the wavelength range ⁇ at its input E.
  • spatially combined light is available, which is referred to as a mixed signal M.
  • the broadband connection splitter can also be operated in the opposite direction, that is to say in the splitting direction, in order to split a light signal into light portions which can be individually controlled in EOBSW 2 and 3 if necessary.
  • the EOBSW is combined by integrated optical reflectors R.
  • the EOBSW 2 is deflected into the EOBSW 8 via a 90 ° reflector R.
  • second reflector R2 which spatially combines the light components in EOBSW 2 and 3 and / o ⁇ - - (coupling point 6) and forwards them in EOBSW 5.
  • 3 * ⁇ reflectors R can be designed as controllable reflectors.
  • FIGS. 5 and 6 first explain the conditions using the example of a conventional titanium-diffused strip waveguide in LiNbO 3 .
  • FIG. 5 shows a conventional strip waveguide 17 in a substrate material 1.
  • a titanium strip 18 is found on the substrate surface! At temperatures above 950 ° C, the titanium diffuses into the LiNb ⁇ 3 crystal, which increases the refractive index in the substrate material.
  • the diffusion constant is approximately twice as large as in the depth direction, which is why the concentration distribution of the titanium widens considerably in the crystal.
  • the resulting refractive index profile has a shape after the diffusion time t ⁇ j and the initial stripe width w, which is described by the following formulas.
  • Titanium-diffused strip waveguides in LiNbO 3 are not able to guide light with a bandwidth of several 100 nm in one mode.
  • the waveguide 17 is designed as a geometrically limited trench with the width a and the depth t.
  • the diagrams in FIG. 5 show the qualitative course of the refractive index in the x direction and in the y direction. Typical is the continuous transition of the refractive index curve in the x direction (the direction x "is shown ) and in the y direction (the direction y '" is shown ).
  • FIG. 6 shows the wavelength range (bandwidth) of efficient connection splitting of a Ti: LiNbO connection splitter and the wavelength range (bandwidth) of single-mode guidance of light in a titanium-diffused strip waveguide in LiNbO by way of example and without restriction of the generality for a reference wavelength of the calculation of 500 nm .
  • Z crystallographic Z axis, corresponds to the x axis in FIG. 5) of the basic mode N and the first mode N j i in the lateral direction for the width a of the strip waveguide itself and the second mode NQ2 in the lateral direction for the double width 2a of a strip waveguide, ie corresponding to the increased width of the waveguiding region at the branching point of a Y splitter, BOA or X coupler.
  • a w 3.0 ⁇ m wide, 15 nm thick sputtered titanium strip serves as the diffusion source, which widens in the branching region down to 2w (6.0 ⁇ m).
  • the diffusion temperature is 1000 ° C, the diffusion time 3 hours.
  • the ratio of the diffusion constants of the titanium ions in LiNbO 3 is D x / D y «2.
  • is less than zero.
  • the strip waveguide described leads in the wavelength range from 490 nm to
  • the effective refractive indices were determined using the effective index method (GB Hocker, WK Bums "Mode dispersion in diffused Channel waveguides by the effective index method ". Appl. Optics. Vol. 16 (1977). No. 1, pp. 113-118).
  • the substrate material 1 is provided with a mask which leaves a gap free only at the future position of the strip waveguide.
  • the ion exchange takes place in a melt of rubidium nitrate with parts of barium nitrate and potassium nitrate. Diffusion occurs almost exclusively in the depth direction, with the refractive index profile described below being formed. In the lateral direction, this results in a step profile of the refractive index.
  • the manufacturability of laterally sharply delimited narrow structures is ensured, since the transfer from the mask into the waveguide takes place in a ratio of 1: 1 due to the almost lack of side diffusion.
  • the EOBSW 2 is designed as a geometrically sharply defined trench with the width a and the depth t.
  • the diagrams in FIG. 7 show the qualitative course of the refractive index in the x direction and in the y direction.
  • Typical is the sharp jump in the refractive index curve in the x direction (the direction x "is shown ) and the comparatively strong increase ⁇ e refractive index from n- j to n2 in the y direction (the direction y 'is shown ).
  • FIG. 8 shows the wavelength range (bandwidth) of efficient connection splitting of an Rb: KTP splitter as well as the wavelength range (bandwidth) of single-mode guidance of light in a rubidium ⁇ potassium ion-exchanged strip waveguide in KTP as an example and without restriction of generality for a reference wavelength of the calculation of 500 nm.
  • FIG. 9 shows a general illustration of the technically relevant, usable wavelength range for the single-mode waveguide in a strip waveguide and for an efficient connection splitting in a connection splitter.
  • Refractive index N e ff must be at least 5x10 " ⁇ over n s , where n s denotes the larger value of the substrate index n-
  • the stripe waveguide is only one effective refractive index, that is, the effective refractive index NQQ of
  • the range of the single-mode of the stripe waveguide is determined by the technically efficient oscillation of the basic mode NQO at the wavelength ⁇ a + ⁇ w and the technically efficient oscillation of the first mode in the lateral direction NQ-J or the first mode in the depth direction N-
  • Wavelength ranges of efficient connection splitting of the connection splitter corresponding to the prior art and of the broadband connection splitter according to the invention in each case as a function of the wavelength ⁇ .
  • at least that strip waveguide which is intended to transmit a broad wavelength range must be an EOBSW.
  • the effective refractive indices used to determine the single-mode transmissible wavelength ranges were calculated using the effective index method.
  • the increase in refractive index required for the waveguide and the wavelength dependency (dispersion) of the substrate index, the waveguide depth, then the waveguide width, were first used in the calculation, based on the specific reference wavelength ⁇ a , until the first mode started to oscillate and finally the wavelength varies until the basic mode disappears.
  • the upper limit of the single-mode transmissible wavelength range ⁇ w is therefore
  • the wavelength ⁇ a + ⁇ w at which the effective refractive index NQQ of the basic mode of the strip waveguide 5 ⁇ 10 "5 lies above the substrate index.
  • the single-mode transmissible wavelength range of an EOBSW according to the invention lies in FIG. 10 above the straight line with the equation
  • Limit ( ⁇ max ) of the optical transmission range of the waveguide material is limited (see FIG. 9).
  • the two inequalities can also be calculated for shorter or longer wavelengths than for ⁇ mjn or ⁇ max of the and
  • FIGS. 11 to 17 show first exemplary embodiments of broadband connection splitters.
  • light from three light sources of different wavelengths ⁇ - j , ⁇ 2 and ⁇ is coupled into one of three EOBSW 2, 3 and 4, combined at the coupling points 6 and spatially combined in the EOBSW 8 and EOBS 5 , forwarded and made available at output A ⁇ of EOBSW 5 as mixed signal M.
  • the light of each light source can be selectively modulated to control the amplitude or the intensity of the light components in the individual EOBSW. In the example, this is done by the signals S ⁇
  • , AM2 and AM are arranged on the individual EOBSW 2, 3, and 4.
  • the modulated intensities of the individual wavelengths result in a mixed signal M from the spatially superimposed light components, the intensity of which can be adjusted by means of the amplitude modulators of the individual wavelengths.
  • the mixed signal M is perceptible as a subjective color impression in the wavelength range of visible light. Due to the possibility of electro-optical modulation up to the GHz range (current state of the art), the arrangement can be used to generate rapidly changing light intensities and by combining light spatially to rapidly change the physiological mixture of colors in the human eye.
  • FIG. 12 shows an embodiment of a broadband connection splitter in a KTiOPÜ4 (KTP) substrate 1 with amplitude modulators or intensity modulators, which are designed as Mach-Zehnder interferometer modulators MZI- j , MZI2 and MZI.
  • amplitude modulators or intensity modulators which are designed as Mach-Zehnder interferometer modulators MZI- j , MZI2 and MZI.
  • the broadband connection splitter has coupling points 6, which are designed here as parallel strip couplers
  • FIGS. 14 to 17 represent broadband connection splitters ar, the coupling points 6 or 6 'of which split more than twice or merge more than twice.
  • the solutions described in the preceding figures can also be applied to broadband connection splitters whose coupling points have more than 2 inputs or outputs .
  • the light is not necessarily split into equal amounts of light in the direction of splitting
  • FIG. 14 shows broadband connection splitters in which the input EOBSW in the coupling point 6 ' in the form of a Y splitter is split into three EOBSW 2 ' , 3 ' and 4 ' or in the coupling point 6 in the form of a Y- Connector three EOBSW 2, 3, 4, are merged
  • FIG. 15 shows triple wide band splitter, the coupling points of which is constructed with parallel strip couplers, in splitter or connector operation.
  • FIG. 16 shows triple broad band splitter, the coupling points of which is constructed with integrated optical reflectors, in principle in splitter or connector operation it is possible to combine or split any number of waveguides in a coupling point 6 ( Figure 17) Limits are set by the technological controllability of the manufacturing processes and the design of the coupling point.
  • the splitter operation of the broadband connection splitter the light of the wavelength Q or the wavelength range is set ⁇ divided into each EOBSW There is coherent light in each EOBSW, provided that the incident light is coherent
  • the light components of the same or different waves are spatially combined.
  • the light components do not influence each other
  • FIGS. 18 to 20 show further integrated optical implementation variants of the broadband connection splitter, in which the coupling points 6 are generated by waveguide crossings
  • the crossing points behave, as required, as completely passive crossing points or they are coupling points 6 for the spatial combination of light components or they are controllable units for spatial beam combination and / or beam deflection 7, i.e. as elements that switch, modulate or deflect light and can merge spatially, trained.
  • the controllable units for spatial beam combination and / or beam deflection 7 operate on the basis of the two-mode interference as an X-coupler, directional coupler or BOA.
  • Figure 18 shows the crossing of two EOBSW 2 and 3 with another EOBSW 5 as a 2x1 matrix.
  • the intersections (coupling points 6) are constructed as controllable units for spatial beam combination and / or beam deflection 7 ' and 7 " .
  • Light of two wavelengths ⁇ ⁇ and ⁇ is coupled into one of the EOBSW 2 and 3 each.
  • the active coupling points act as selective light gates, which allow the light in the common EOBSW 5 to pass completely unaffected in the direction of the mixed signal M, but the light components of the wavelengths ⁇ - j and ⁇ 2 in the EOBSW 2 and 3, depending on the applied control signals S-
  • Each controllable unit for spatial beam combination and / or beam deflection 7 ' and 7 " is dimensioned such that it acts as a modulator for the respectively selected wavelength ⁇ ⁇ or ⁇ 2 and at the same time deflects the light component and spatially combines it with the other light component.
  • the other Wavelength is not or only slightly influenced by the modulator.
  • controllable units for spatial beam combination and / or beam deflection 7 ' and 7 " still have mutual influence, the degree of mutual influence is compensated for by active control of the control signals and / or the light sources.
  • This arrangement can advantageously be operated in a time-multiplexed manner, so that the problems with the decoupling of the controllable units for spatial beam unification 7 ' and 7 " are eliminated. As a result of the possible very high control frequency, this can be easily achieved.
  • a third light component with the wavelength ⁇ 3 can be coupled into an input E 3 of the EOBSW 5.
  • This light component can be spatially combined with the light components which are guided in the EOBS and 3
  • FIG. 19 shows a further integrated-optical implementation variant of the broadband connection splitter as a 3x1 matrix.
  • the EOBSW 2, 3 and 4 cross another EOBSW 5.
  • the crossings are passive coupling points 6, the light components in the EOSBW bringing together modulators AM-
  • the coupling points 6 act as a light beam combiner and light deflector.
  • the spatially combined light is coupled out from the EOBSW 5 as a mixed signal M.
  • the EOBSW 2, 3 and 4 have electro-optical modulators AM - j , AM2 and AM 3 arranged, which the light components of the wavelengths ⁇ -
  • one of the EOBSW 2, 3, or 4 with the associated modulators and coupling points can alternatively be dispensed with
  • FIG. 20 shows a further integrated optical implementation variant of the broadband connection splitter as a 3x4 matrix.
  • the intersections are either locations that Lic transmits in the EOBSW completely unaffected (passive intersection) or passive coupling points 6 or controllable units for spatial beam union and / or beam deflection 7
  • the EOBSW 2, 3 and 4 cross the four EOBSW 8 ' , 8 " , 8 '" and 5
  • the crossing points are shown in the form of a matrix to explain the function.
  • actively controllable units for spatial beam union and / or beam deflection 7 are arranged. These units are used to modulate the three light components.
  • Passive coupling points 6 which spatially unite and / or deflect light components, are arranged in the column rows 1-4, 2-4 and 3-4.
  • the coupling points 6 are not controlled here. They are used for the spatial combination of the light components to form the mixed signal M in the common EOBSW 5.
  • the light components that are not required are fed into the blind outputs B of the EOBSW 2, 3, 4, 8 ' , 8 " and 8 “” .
  • light components can be coupled and controlled into the inputs E4, E5 and E5 of the EOBSW 8 ' , 8 " and 8 '” .
  • These light components can be spatially combined with the light components that are used in EOBSW 2, 3 and 4.
  • FIGS. 21 and 22 show arrangements for determining the concentration of a specific substance by means of a photometric measurement.
  • the integrated optical implementation of the measuring arrangement with the aid of broadband connection splitters enables a miniaturization of the sample quantity, while at the same time increasing the bandwidth that can be used for the measurement compared to conventional solutions.
  • the absorption of a measuring medium 16 located in a separate measuring cell 14 is determined with a photoreceiver 12.
  • These measurements in transmission can also be carried out on a solid body (not shown). Reflection measurements are also possible (not shown).
  • Light of three different wavelengths is coupled into an EOBSW 2, 3 and 4, spatially combined and then shines through a measuring cuvette 14 in which a measuring liquid 16 is located between the output AM of the common EOBSW 5 and the photoreceiver 12.
  • a measuring liquid 16 is located between the output AM of the common EOBSW 5 and the photoreceiver 12.
  • REPLACEMENT BLADE (RULE 26)
  • the measurement can be carried out according to one of the methods described below: a) The individual light components at the waveguide output A ⁇ are time-multiplexed out. There is a direct measurement (without filter) of the absorption of the respective wavelength.
  • filters Fi are advantageously located between the measuring cell 14 and the photoreceiver 12 in order to separate the excitation light and the measuring light. b) There is a simultaneous coupling of all light components into the respective inputs of the EOBSW and a simultaneous coupling of the light components at the output of the EOBSW A
  • Amplitude modulation of the light components is advantageous in itself for all measurements, since higher measurement accuracies can generally be achieved with dynamic measurement methods.
  • the number of wavelengths used is not necessarily three, but the number can be two or more depending on the intended use.
  • the absorbing effect of measuring media 16 (gaseous, solid) on the evanescent field of the guided wave located in the superstrate is measured
  • the covered common EOBSW 5 is provided with a defined measuring window r to which the measuring medium 16 is applied.
  • , ⁇ 2 and ⁇ 3 are represented by the
  • REPLACEMENT SHEET (REGE 26) These field components can therefore be reached and influenced from outside the EOBSW. If there is an absorbing medium on the EOBSW, the evanescent field itself, depending on the absorption, is damped or the surface scatter of the EOBSW is changed by the presence of a medium that is not necessarily absorbent. Both have the consequence that the waveguide attenuation changes, which can be measured with the photoreceiver 12. With the exception of the measurement window 15, the surface of the substrate which comes into contact with the measurement medium is covered with a buffer layer (eg SiÜ2) so that the evanescent field is only accessible in the area of the measurement window. In addition, a precisely defined measuring length is determined (since the total absorption depends on the length of the measuring window).
  • a buffer layer eg SiÜ2
  • the measurement of, for example, absorption, refractive index or scattering makes it possible to determine the influence of physical, biological and chemical quantities of gases, liquids and solids, which cause a change in the behavior of the guided light or the strip waveguide itself.
  • a further implementation variant consists in coating the measuring window 15 with a substance which reacts to physical, chemical or biological external influences and which influences the behavior of the guided light or the EOBSW itself when an external influence occurs.
  • the integrated optical implementation of the measuring arrangement favors a miniaturized structure.
  • the smallest sample quantities can be used, since the measuring window only has to be a little wider than the waveguide and the length can be in the millimeter range.
  • FIG. 23 shows a broadband connection splitter which is operated in a time-multiplexed manner. Signals are applied to inputs E j and E2 mutually constant amplitude and, after the spatial association of the light components corresponding to the plitudenmodulator to the AM A
  • the left diagram shows the amplitude profile of the time-multiplexed signal of the wavelengths ⁇ - j and ⁇ 2-
  • the middle diagram shows the profile of the signal S for modulating the light components.
  • FIGS. 24 to 26 show broadband connection splitters according to the invention, at least one EOBSW 2 and / or 3 having an electrode structure 10 for
  • the electrodes 10 have an effective electrode length L of a few millimeters to a few centimeters and an electrode distance d of a few ⁇ m
  • Substrate material met, which allows a possibility to influence the phase of an optical mode guided in a strip waveguide
  • KT1OPO4 KTP
  • the input signal is a discrete wavelength ⁇ or a wavelength range ⁇
  • FIG. 24 shows a broadband connection splitter, the EOBSW 2 of which is provided with an electrode 10 for phase modulation
  • the effective electrode length in the single waveguide 2 is L here
  • FIG. 25 shows a broadband connection splitter, the two EOBSW 2 and 3 of which are each provided with electrodes 10 for phase modulation, which operate in push-pull mode when the inputs E-
  • the effective electrode length in each individual waveguide 2 or 3 is U2 when input E-
  • the phase position can be controlled with the modulation voltage U. Using EOBSW the function is over ensures a wide wavelength range
  • a broadband connection splitter in the splitting direction can be used to provide the interference-capable light required in the coupling point 6 in FIG. 24 or in FIG. 25 (FIG. 26)
  • E of an EOBSW 5 ' Light of a wavelength ⁇ or a wavelength range ⁇ is fed to an input E of an EOBSW 5 '.
  • the EOBSW 5 ' is split into the EOBSW 2 and 3 in the coupling point 6 '. Each of the EOBSW 2 and 3 then conducts interference-capable light
  • FIG. 26 thus represents a Mach-Zehnder interferometer (MZI) modulator from EOBSW.
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • FIG. 27 shows the broadband connection splitter from FIG. 26 with the provision of interference-capable light by a broadband connection splitter in the splitting direction.
  • An MZI structure is produced from EOBSW, which is used as a wavelength sensor due to its broadband nature.
  • Light of the wavelength ⁇ to be determined is input E of the EOBSW 5 ' , to which the integrated optical MZI structure is connected.
  • Both branches are provided with phase modulators that work in push-pull (electrodes 10). This results in the possibility of phase modulation of the light components carried in the interferometer arms when one is changed the electrodes 10 applied voltage U changes due to the electro-optical effect, the phase of the light in the interferometer arms and thus the amplitude or intensity of the outcoupled light at the output A.
  • the modulated light is detected by a measuring device 9
  • the light falls on a photo receiver 12, with the aid of which the guided light output is determined.
  • the measuring device consists of a decoupling arrangement 11, which bundles the modulated light onto the photo receiver 12.
  • a display device 13 shows the light output which is measured by means of the photo receiver 12
  • Z-cut KTP and TM light (ie the surface normal of the substrate, the direction of the electric field vector of the guided linearly polarized light correspond to the stallographic Z axis) is determined by
  • the half-wave voltage U ⁇ corresponds to a phase shift of ⁇
  • U ⁇ (voltage between a minimum of guided power and an adjacent maximum) or a multiple of U ⁇ can be determined.
  • Half-wave voltage determine the wavelength of light - in connection with the use of the broadband connection splitter according to the invention - the photo element must ensure detectability over the entire wavelength range.
  • the light source must not emit broadband light, because the line width determines the resolution of the measuring arrangement, i.e. if if the resolution is to be fully utilized, the line width must be in or below the order of magnitude of the resolution.
  • integrated optical interferometer structures for example Michelson interferometers, can also be used. The functional principle is analog
  • FIG. 28 shows a broadband optical filter which filters out a part from a wavelength range ⁇ ⁇ . This is due to the wavelength selectivity of the Mach-Zehnder interferometer structure used in the example.
  • the wavelength range ⁇ ⁇ coupled out at the output contains the remaining part of the wavelength range ⁇ ⁇ If the wavelength range ⁇ ⁇ is white light, the decoupled wavelength range ⁇ corresponds to the complementary color of the filtered light component.
  • FIG. 29 shows a miniaturized sensor for the spectral determination of refractive indices, which can be operated over a wide band.
  • Light of different wavelengths is spatially combined using a broadband connection splitter and then guided through a Mach-Zehnder interferometer structure.
  • the amplitude or intensity modulators AM j are used to select the desired wavelength.
  • One arm of the Mach-Zehnder interferometer MZI is provided, analogously to FIG. 22, with a measuring window 15, the length of which determines the amount of the phase shift when the measuring medium is applied; the other branch can be provided with a phase modulator to increase the measuring accuracy and to determine the direction of the refractive index difference between the superstrate without or with measuring medium 16.
  • the propagation constant of the guided wave is changed due to the changed refractive index of the superstrate, which causes a phase change that can be determined interferometrically.
  • the interferometer converts the phase change into an amplitude signal or intensity signal.
  • the differences in refractive index can also be used to infer substances or their concentration.
  • the number of inputs is determined by the number of different wavelengths of permanently coupled light sources. When using a light source that can selectively provide light of several wavelengths, only one input is required
  • Figures 30 to 32 show arrangements with EOBSW, which are suitable for generating light components of different wavelengths and their spatial combination.
  • the blue and green light cannot currently be provided in this form.
  • the principle of generating the second harmonic can be used for this purpose, if non-linear optically active materials are used (e.g. KTP). Phase matching must be achieved between the pump wave and the second harmonic.
  • the principle of quasi-phase matching (QPM) is used in KTP.
  • SPARE BLADE For this purpose, a piece of the waveguide is segmented in order to bring about a ferroelectric domain reversal. In this way, a phase adjustment between pump light wave and harmonic light wave is achieved. Pump light of sufficient power can then generate light of half the wavelength, ie, for example, the laser diode of the wavelength 830 nm becomes light of the wavelength 415 nm. Further higher harmonics can be generated, for example light of the wavelength ⁇ / 4.
  • Another variant for frequency conversion is the sum (Sum frequency generation (SFG)) or difference frequency formation. Both variants can be carried out in KTP (e.g. ML Sundheimer, A.
  • elements for frequency conversion FU are used in one EOBSW 3 and 4 each.
  • the wavelength ⁇ 2 is transformed to the wavelength ⁇ 4, the wavelength ⁇ 3 is transformed to the wavelength ⁇ 5.
  • , ⁇ 4 and ⁇ $ are available at the mixed signal output A ⁇ as spatially combined light.
  • light of the wavelength ⁇ g reaches broadband connection splitters which are operated in the splitter mode.
  • Light components with the wavelength ⁇ 0 reach the EOBSW 2 ' , 3 ' and 4 ' .
  • An element for frequency conversion FU is arranged in each of the EOBSW 2 ' , 3 ' and 4 ' .
  • One element for frequency conversion FU generates the wavelength ⁇ -
  • , ⁇ and ⁇ can be coupled out.
  • these light components are spatially combined in the following broadband connection splitter in the connector operation.
  • FIGS. 33 to 35 represent integrated optical sensors for measuring changes in length and / or changes in refractive index.
  • the sensors are implemented with an integrated optical Michelson interferometer structure, which EOBSW uses as a waveguide.
  • Figure 33 uses two individual Y broadband link splitters.
  • Figure 34 uses a directional coupler and Figure 35 uses an X-coupler or a BOA.
  • the principle of operation of the sensor for measuring changes in length is the same in each of the examples.
  • Light of a wavelength ⁇ * is coupled into the input E of the EOBSW 2 ' .
  • the coupling point 6 ' (FIG. 33) or in the coupling point 6 (FIGS. 34 and 35)
  • the light is divided into two waveguide arms and coupled out at the detector outputs D- j and D 2 .
  • This light is directed onto two mirrors by means of the decoupling optics 11.
  • a mirror Sp (f) is stationary. Instead of this mirror, a waveguide end surface can also be mirrored or an integrated optical reflector can be arranged in the EOBSW in front of the waveguide output.
  • the second mirror Sp (b) is attached to the movable measurement object.
  • the light components are transferred to the waveguide outputs D-
  • the superimposed light is split up again and can be coupled out at output A and input E.
  • the light that can be coupled out from output A is directed onto a photoreceiver 12, in which a photocurrent L ⁇ is generated. If the optical path length in the coupling-out branch between D and Sp (b) is now changed, the phase position between the two reflected and coupled-in light components also changes, and thus also the amplitude and the intensity of the signal applied to the photoreceiver.
  • a change in position of ⁇ / 2 of the mirror Sp (b) in the beam direction corresponds to full modulation of the photocurrent l pn .
  • REPLACEMENT BLADE (RULE 26)
  • a phase modulator in the waveguide branches provided in FIGS. 33 to 35 which is implemented in the example by the electrode arrangement 10 applied to the EOBS, and / or simultaneous coupling in of light of two wavelengths ⁇ ⁇
  • a direction detection of the phase change is made possible.
  • the resolution can be increased further by using shorter wavelengths. So far, no strip waveguide is known in which light of the wavelength range of blue light or even shorter wavelengths can be guided and modulated in one mode.
  • Initial width of the titanium strip during diffusion t, j Diffusion time xyz coordinate system n w Refractive index distribution in the waveguiding area n w f (x, y) n ⁇ Refractive index of the substrate n2 Refractive index of the waveguiding area on the surface n 3 Refractive index of the superstrate n s Refractive index of the Substrates if n-
  • Wavelength range in the stripe waveguide corresponds to ⁇ D wavelength at which in the broadened coupling range of
  • Connection splitter ⁇ j s j efficiently usable wavelength range of
  • Connection splitter ⁇ j bandwidth (spectrum) of light at the waveguide output

Abstract

Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Verbindungsaufspalter, insbesondere für Anwendungen im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, der eine räumliche und breitbandige Zusammenführung von Licht in einem Wellenlängenbereich Δμ größer etwa 75 nm (Angabe gilt für kurzwelliges sichtbares Licht) gewährleistet. Bei einem nutzbaren Wellenlängenbereich, der das gesamte sichtbare Licht umfaßt, liegt ein Weißlicht-Verbindungsaufspalter vor. Der Verbindungsaufspalter besteht aus mindestens drei Streifen-Wellenleitern, davon mindestens einem einmodigen integriert-optischen Breitband-Streifen-Wellenleiter (EOBSW). Zwei Streifen-Wellenleiter (2, 3) haben je einen Eingang (E1, E2) und sind an ihren Ausgängen (A1, A2) in einer Koppelstelle (6) zu einem gemeinsamen EOBSW (5) zusammengeführt, welcher an seinem Ende einen gemeinsamen Lichtaustritt (AM) hat. Dieser Breitband-Verbindungsaufspalter findet Anwendung als wellenlängenselektiver oder wellenlängenunabhängiger Schalter oder Modulator, in interferometrischen und photometrischen Anordnungen, Sensoren und mikrosystemtechnischen Lösungen.

Description

Beschreibung
1 Bezeichnung der Erfindung
Verbindungsaufspalter aus Streifen-Wellenleitern und Verwendungen
2 Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Verbindungsaufspalter der zur raumlichen Zusammenfuhrung oder Aufspaltung von Licht verschiedener Wellenlangen oder verschiedener Wellenlangenbereiche aus einem vergleichsweise großen Wellenlangenspektren dient Bei Bedarf dient dieser Breitband-Verbindungsaufspalter zum Schalten, Ablenken oder zur Modulation von Licht Die Erfindung betrifft weiterhin Verwendungen dieses Breitband- Verbindungsaufspalters
Die für den Breitband-Verbindungsaufspalter verwendeten einmodigen Streifen- Wellenleiter sind einmodige integriert-optische Breitband-Streifen-Wellenleiter bzw Weißlicht-Streifen-Wellenleiter, die in der am gleichen Tag eingereichten Patentanmeldung "Streifen-Wellenleiter und Verwendungen" beschrieben sind Die Erfindung steht weiterhin im Zusammenhang mit der am gleichen Tag eingereichten Patentanmeldung "Farbbilderzeugungssysteme und Verwendungen"
In diesen Unterlagen bedeutet Licht sichtbare und unsichtbare (infrarote und ultraviolette) elektromagnetische Strahlung, jedoch insbesondere diskrete Wellenlangen oder Wellenlangenbereiche sichtbarer Strahlung im Wellenlangenspektren von 400 nm bis 760 nm Als Streifen-Wellenleiter werden Wellenleiter bezeichnet, die auf dem Prinzip der Totalreflexion von Licht beruhen, hervorgerufen durch eine Brechzahlerhohung im wellenleitenden Bereich, bezogen auf das umgebende Medium 3 Stand der Technik
Verbindungsaufspalter für eine Bandbreite kleiner 95 nm (Angabe gilt für kurzwellig sichtbares Licht) sind bekannt Die Vereinigung von diskreten Streifen-Wellenleitern erfolgt zum Zweck der Zusammenfuhrung von Licht nach dem an sich bekannten Prinzip der Zweimoden-Interferenz durch
- Nutzung eines Y-Verzweigers
- Nutzung eines integriert-optischen Schalt- oder Verteilerelements, wie X-Koppler, Richtkoppler, Parallelstreifenkoppler oder BOA
(siehe W Karthe, R Muller, Integnerte Optik, Akademische Verlagsgesellschaft Gee & Portig K -G , Leipzig, 1991 und A Neyer "Integnert-Optische Komponenten für die Optische Nachnchtentechnik", Habilitationsschπft Umv Dortmund 1990) BOA ist eine franzosischsprachige Bezeichnung (bifurcation optique active) für eine Gruppe integriert-optischer Bauelemente (siehe M Papuchon, A Roy, D B Ostrowsky, "Electπcally active optical bifurcation BOA", Appl Phys Lett , Vol 31 (1977) pp 266-267)
Die Effizienz der Verbindungsaufspaltung - bei gleichzeitiger Forderung nach effizienter Modulierbarkeit und/oder Schaltbarkeit des Lichts - ist von der Einmodigk der Streifen-Wellenleiter, die die Ein- und Ausgange des Verbindungsaufspalters bilden, abhangig Einmodigkeit ist bei bekannten Streifen-Wellenleitern für Wellenlangenbereiche mit einer Bandbreite großer etwa 130 nm (Angabe gilt für kurzwelliges sichtbares Licht) nicht gegeben
Verschiedene Wellenlangen des Lichts erfordern verschiedene Werte der charakteristischen Parameter des Streifen-Wellenleiters, wie Brechzahl des Substrates, Brechzahl des Superstrates, Brechzahl oder ein- oder zweidimensionaie Brechzahlprofil des Streifen-Wellenleiters, Querschnittsform (zum Beispiel Breite un Tiefe) und Lage des Streifen-Wellenleiters in oder auf dem Substrat Dieses erforde im allgemeinen die Verwendung verschiedener Streifen-Wellenleiter für verschieden Wellenlangen des geführten Lichts Im Falle der Verbindungsaufspaltung auf Grundlage bekannter Streifen-Wellenleiter z B des Titan-eindiffundierten Streifen-Wellenleiters in LιNbθ3, verringert sich der nutzbare Wellenlängenbereich gegenüber dem des zugehörigen einmodigen Streifen- Wellenleiters um etwa 35 nm, da in Verbindungsaufspaltern auf der Basis der Zweimodeninterferenz, wie Y-Verzweiger, Richtkoppler, Parallelstreifenkoppler, X-Koppler oder BOA, das Anschwingen des zweiten Modus in lateraler Richtung im Verbindungs- bzw Aufspaltungsbereich vermieden werden muß Dieses ist die Voraussetzung eines konstanten Teilungsverhaltnisses der Lichtleistung bei Aufspalterbetrieb im gesamten nutzbaren Wellenlängenbereich
Zur effizienten Verbindungsaufspaltung von Licht eines Wellenlangenbereiches großer 95 nm ist also die Verwendung ein und desselben einmodigen Streifen-Wellenleiters notwendig, der alle Wellenlangen mit einer Bandbreite großer als etwa 130 nm (Angabe gilt für kurzwelliges sichtbares Licht), technisch gesehen, effektiv übertragt Übertragung mit technisch ausreichender Effektivität heißt, daß der effektive Brechungsindex Neτj des im Streifen-Wellenleiter geführten Modus wenigstens 5x10"^ über dem Brechungsindex des umgebenden Materials ns liegen muß Das ist eine notwendige Voraussetzung, damit niedrige Werte der Wellenleiterdampfung im Bereich von 1 dB/cm erreicht werden können Technisch effektiv bedeutet weiterhin, daß sich im gesamten emmodig fuhrbaren Wellenlängenbereich die Wellenleiterdampfung und die Effizienz einer Kopplung zwischen dem Streifen- Wellenleiter und einer Eiπmoden-Lichtleitfaser um nicht mehr als etwa 30% andern sollen da in der Regel Licht mit Hilfe von Einmoden-Lichtleitfasern in Streifen- Wellenleiter eiπgekoppelt wird
Mit den herkömmlichen Streifen-Wellenleitern ist es nicht möglich, z B rotes und blaues Licht in ein und demselben Streifen-Wellenleiter emmodig mit technisch ausreichender Effektivität zu fuhren
Es ist bisher keine Anordnung bekannt um Licht verschiedener Wellenlängen mit einer Bandbreite von großer etwa 95 nm (Angabe gilt für kurzwelliges sichtbares Licht) in ein und derselben Wellenleiterstruktur sowohl emmodig zu fuhren, als auch bei Bedarf effizient getrennt oder zusammen zu modulieren abzulenken, zu schalten und räumlich zusammenzufuhren bzw aufzuspalten Hierzu sind Anforderungen zu erfüllen, die in dieser Form zusammen mit bekannten Modulationsmechanismen, wie z B unter Ausnutzung des elektrooptischen Effekts, noch nicht realisiert wurden
Bekannt ist nach der Patentanmeldung DE 43 27 103 A1 ein interferometπsch abstimmbares optisches Filter Das optische Filter spaltet ein Eingangssignal in mehrere Wellenleiterzweige auf In jedem Zweig werden die Amplitude und die Phas des Signals individuell gesteuert Die Signale werden dann wieder in einem Wellenleiter rekombiniert
Das Filterelement dient als Demultiplexer für Wellenlangenmultiplexbetneb in der Nachrichtentechnik bei Wellenlangen zwischen 800 nm und 1 ,6 μm mit vergleichsweise geringer Bandbreite
4 Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lichtstrahlung eines breiten Wellenlangenspektrums oder mehrerer diskreter Wellenlangen mit einem großen Wellenlangenabstand raumlich zusammenzufuhren oder aufzuspalten und im Bedarfsfall vor dem Zusammenfuhren oder beim Zusammenfuhren oder nach dem Zusammenfuhren zu modulieren, abzulenken und/oder zu schalten Die Strahlung s Licht mehrerer Wellenlangen oder Wellenlangenbereiche beinhalten, insbesondere alle Wellenlangen oder bestimmte Wellenlangenbereiche einer Bandbreite Δλ > 95 aus dem Spektrum des sichtbaren Lichts Das bedeutet für die Realisierung von Breitband-Verbindungsaufspaltern, daß auch Breitband-Streifen-Wellenleiter notwendig sind, die einen emmodig fuhrbaren Wellenlängenbereich von mindestens 130 nm (Angabe gilt für kurzwelliges sichtbares Licht) aufweisen
Für den Breitband-Verbmdungsaufspalter sollen an sich bekannte Anwendungsgebi so erschlossen werden, daß ein vergleichsweise einfacher Aufbau optischer Anordnungen möglich ist Es soll die Möglichkeit geschaffen werden, integriert- optische Bauelemente herzustellen, die in der Lage sind, über einen breiten Wellenlängenbereich Licht emmodig zu übertragen, zu modulieren und/oder verbmdungsaufzuspalten (raumlich aufzuspalten oder räumlich zu vereinigen) 5. Wesen der Erfindung
Das Problem wird erfindungsgemäß durch einen Verbindungsaufspalter aus Streifen- Wellenleitern mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche 2 bis 6 charakterisieren geometrische und optische Ausgestaltungen des Verbindungsaufspalters gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs 1. Die Unteransprüche 7 bis 20 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 1. Verwendungen des Breitband-Verbindungsaufspalters erfolgen erfindungsgemäß nach den Merkmalen der Ansprüche 21 , 22, 23, 27, 34, oder 35. Die Unteransprüche 24 bis 26 sind Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 23. Die Unteransprüche 28 bis 33 sind Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 27. Der Unteranspruch 36 ist eine Ausgestaltung des Hauptanspruchs 35.
Gemäß der Erfindung werden mindestens zwei einmodige integriert-optische Streifen- Wellenleiter, die nicht notwendigerweise breitbandig sein müssen, aber vorteilhafterweise sein sollten, so zusammengeführt, daß ein sich anschließender einmodiger integriert¬ optischer Breitband-Streifen-Wellenleiter - nachfolgend EOBSW genannt - das räumlich zusammengeführte Licht weiterleitet. Der EOBSW ist gemäß der am gleichen Tag hinterlegten Patentanmeldung "Streifen-Wellenleiter und Verwendungen" aufgebaut.
Dieser EOBSW ist in der Lage, Licht breitbandig und einmodig zu übertragen. Breitbandig heißt, daß Strahlung verschiedener Wellenlängen, insbesondere des sichtbaren Lichts, mit einer Bandbreite
Δλw > 0,48 λ - 85 nm
(mit der Angabe von λ und Δλw in nm), mit einer technisch ausreichenden Effektivität einmodig übertragbar ist.
Das bedeutet für sichtbares Licht zum Beispiel eine Bandbreite des EOBSW größer als etwa 105 nm, bezogen auf die Wellenlänge λ = 400 nm, und eine Bandbreite des
EOBSW größer als 130 nm, bezogen auf λ = 450 nm (Figur 10).
Einmodig heißt, daß zu jeder gegebenen Wellenlänge aus einem Wellenlängenbereich ein und nur ein effektiver Brechungsindex, nämlich der effektive Brechungsindex NQQ des Grundmodus im EOBSW. zuordenbar ist (Figur 9).
£RSATZBLATT (REGEL 26) Üblicherweise und auch in diesen Unterlagen beginnt die Zählung der Modenordnung Null, z.B. Grundmodus NQQ, erster Lateralmodus NQI und so weiter.
Licht wird hier im Sinne von sichtbarer und unsichtbarer (infraroter und ultravioletter) elektromagnetischer Strahlung verstanden. Übertragung mit technisch ausreichender Effektivität heißt, daß der effektive Brechungsindex Neff des im EOBSW geführten Modus wenigstens 5x10"^ über dem Brechungsindex des umgebenden Materials ns liegen muß, wobei ns den jeweils größeren Wert des Substratindex n-| bzw. des Superstratindex n3 bezeichnet. Das ist eine notwendige Voraussetzung, um niedrige Werte der Wellenleiterdämpfung im Bereich von 1 dB/cm zu erreichen und derart eine Streifen-Wellenleiter zu realisieren, der in der Technik effizient einsetzbar ist.
Zu jeder gegebenen Wellenlänge im Bereich zwischen λa und λa + Δλw ist ein und ein effektiver Brechungsindex, d.h. der effektive Brechungsindex des Grundmodus NQO' zuordenbar. Der Bereich der Einmodigkeit wird durch das, technisch gesehen, effiziente Anschwingen des Grundmodus NQQ bei der Wellenlänge λa + Δλw einerseits und das, technisch gesehen, effiziente Anschwingen des ersten Modus i lateraler Richtung NQ -| oder des ersten Modus in Tiefenrichtung N -J bei der
Wellenlänge λa andererseits bestimmt. Die Werte von λa und λa+Δλw werden durc die geometrisch-stofflichen Parameter des Streifen-Wellenleiters selbst und der den Streifen-Wellenleiter umgebenden Medien bestimmt. Prinzipiell werden der minimal
Wert der nutzbaren Wellenlänge λmjn und der maximale Wert der nutzbaren
Wellenlänge λmax durch den optischen Transmissionsbereich der verwendeten Materialien bestimmt.
Für das Kristallmaterial KTiOPθ4 betragen zum Beispiel der minimale Wert des Transmissionsbereiches etwa 350 nm und der maximale Wert etwa 4 μm. Technisch effektiv bedeutet weiterhin daß sich im gesamten einmodig fuhrbaren Wellenlängenbereich die Wellenleiterdampfung und die Effizienz der optischen Kopplung zwischen dem EOBSW und einer Emmoden-Lichtleitfaser um nicht mehr als 30% andern sollen, da in der Regel Licht mit Hilfe von Emmoden-Lichtleitfasern in den EOBSW eingekoppelt wird Mit herkömmlichen Streifen-Wellenleitern ist es nicht möglich z B rotes und blaues Licht in ein und demselben Streifen-Wellenleiter einmodig und mit technisch ausreichender Effektivität zu fuhren Die Parameter des EOBSW Brechzahl des Substrates, Brechzahl des Superstrates, Brechzahl oder ein- oder zweidimensionales Brechzahlprofil des EOBSW, Querschnittsform (zum Beispiel Breite und Tiefe) und Lage des EOBSW in oder auf dem Substrat sind so dimensioniert, daß in einem großen Wellenlängenbereich, speziell im gesamten Bereich des sichtbaren Lichts, ein einmodiger Betrieb des EOBSW gewährleistet ist (siehe allgemeine Dimensionierungsvorschπften für integriert-optische Streifen- Wellenleiter in W Karthe, R Muller, Integrierte Optik, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K -G , Leipzig, 1991)
Insbesondere können Lichtwellen des gesamten sichtbaren Wellenlangenbereiches gefuhrt werden Dabei ist die Fuhrung der Lichtwellen in ein und demselben EOBSW über den gesamten sichtbaren Bereich einmodig und erfolgt, technisch gesehen mit der gleichen Effektivität Somit liegt ein echter einmodiger Weißlicht-Streifen- Welleπleiter vor
Die erfindungsgemaßen EOBSW sind durch die spezifisch angepaßten Verfahren -^ ihrer Herstellung und durch ihre spezifischen Eigenschaften charakterisiert Physikalische Anforderungen an das Substratmateπal bestehen in der Herstellbar e • lateral eng begrenzter Streifen-Wellenleiter-Strukturen (z B durch Ausnutzung em - Diffusionsanisotropie beim lonenaustausch) und/oder einer Wellenlangenabhangig* " • (Dispersion) der für die Wellenleitung notwendigen (und auf das den EOBSW umgebende Material bezogenen) Brechungsindexerhohung - ns entsprechend αe- Formel
- "' ≥ 0 mit ns = n-j , falls n1 > n3 oder ns = n , falls n3 > n
wobei 1-2 die Oberflachenbrechzahl der wellenleitenden Region selbst bezeichnet
Der EOBSW wird nach einem der folgenden Verfahren hergestellt:
- lonenaustausch bzw. loneneindiffusion in dielektrischen Kristallen, wie KTiOPθ4 (KTP), LiNbOß und LiTaÜß,
- lonenaustausch in Glas,
- Spritzguß-, Präge- bzw. Schleuderverfahren mit Polymeren auf geeigneten Substraten, wie Si, hierbei entstehen First- oder invertierte First- oder Petermannwellenleiter,
- EOBSW in ll-VI- oder Ill-V-Halbleitermaterialien, hergestellt durch epitaktische Abscheideverfahren auf geeigneten Substraten, wie S1O2,
- EOBSW in ll-VI- oder Ill-V-Halbleitermaterialien, hergestellt durch Dotierung oder Legierung,
- EOBSW in HeteroStrukturen ternärer oder quatemärer ll-VI- oder Ill-V-Halbleitermaterialien,
- First- oder invertierte First- oder Petermannwellenleiter in ll-VI- oder Ill-V-Halbleitermaterialien,
- EOBSW in und auf einem geeigneten Substratmaterial, vorzugsweise Si, durch Kombination von Si-, S1O2- und SiON- und/oder anderer oxidischer und/oder Nitrid-Schichten,
- Sol-Gel-Prozesse auf geeigneten Substratmaterialien,
- Ionenimplantation in allen vorgenannten Materialien.
Die Verfahren zur Herstellung optischer Streifen-Wellenleiter, insbesondere lonenaustausch bzw. loneneindiffusion in dielektrischen Kristallen oder lonenaustausch in Glas sind, um eng begrenzte Strukturen zu erhalten, vorteilhaft mi dem Verfahren der Ionenimplantation kombinierbar.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Breitband-Verbindungsaufspalters werden mindestens drei Streifen-Wellenleiter, davon mindestens ein EOBSW, so zusammengeführt, daß eine Zusammenführung, Aufspaltung, Schaltung, Ablenkung oder Modulation von Licht möglich wird. Das kann unter Nutzung von integriert- optischen Bauelementen auf Basis der Zweimodeninterferenz wie Y-Verzweiger, X- Koppler, Richtkoppler, Parallelstreifenkoppler oder BOA geschehen (in: W. Karthe, R Müller. Integnerte Optik, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K -G., Leipzig, 1991).
♦'•■/ Weiterhin können integriert-optische bzw. mikrooptische Reflektoren (Spiegel, Gitter, Prismen) zur Verbindungsaufspaltung verwendet werden. Der mindestens eine EOBSW des Breitband-Verbindungsaufspalters ist so auszubilden, daß Licht eines breiten Wellenlängenbereiches entsprechend
Δλw > 0,48 x λ - 85 nm
(mit der Angabe von λ und Δλ in nm) einmodig geführt wird, insbesondere Licht diskreter Wellenlängen oder diskreter schmaler Wellenlängenbereiche aus dem gesamten sichtbaren Spektrum.
Der Breitband-Verbindungsaufspalter ist durch seine geometrischen und optischen Parameter so dimensioniert, daß eine effiziente Funktion über einen breiten Wellenlängenbereich entsprechend
Δλv > 0,27 x λ - 34 nm
(mit der Angabe von λ und Δλv in nm) gewährleistet ist. Bezogen auf die Wellenlänge λ = 400 nm bedeutet das z.B. eine effiziente Verbindungsaufspaltung in einem Wellenlängenbereich Δλv > 75 nm.
Vorzugsweise ist es mit geeigneten Breitband-Verbindungsaufspaltern möglich, Licht des gesamten sichtbaren Wellenlängenbereiches effizient verbindungsaufzuspalten, speziell blaues und rotes Licht gleichzeitig. Bei einer verbindungsaufspaltbareπ Bandbreite, die dem gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts entspricht, liegt ein echter Weißlicht-Verbindungsaufspalter vor.
In integriert-optischen Bauelementen auf Basis der Zweimodeninterferenz tritt in Bezug auf die Bestimmung der Breitbandigkeit gegenüber dem EOBSW ein zweites, die nutzbare Bandbreite einschränkendes, Kriterium auf. Um eine effiziente Funktion, d.h. z.B. ein bei Variation der Wellenlänge konstantes Teilerverhältnis im Aufspalterbetrieb oder ein hohes Extinktionsverhältnis im Verbinderbetrieb in integriert-optischen Interferometern, zu gewährleisten, ist das Anschwingen des zweiten Lateralmodus NQ2 im verbreiterten Koppelbereich zu verhindern.
Die nutzbare Bandbreite Δλ|s| des Verbindungsaufspalters wird demzufolge durch den kleineren Wert der Differenz der Wellenlängen des Anschwingens des Grundmodus NQQ im Streifen-Wellenleiter und des ersten Lateral- oder Tiefenmodus (NQI bzw. N^ Q) O 96/24869 PCI7EP96/00493
10
im Streifen-Wellenleiter (Δλw) einerseits und der Differenz des Anschwingens des Grundmodus NQO ιm Streifen-Wellenleiter und des zweiten Lateralmodus NQ2 ιm verbreiterten Koppeibereich (Δλv) andererseits, also durch den kleineren Wert von Δ
und Δλw, bestimmt (Figur 9)
Der erfindungsgemaße Breitband-Verbindungsaufspalter wird vorteilhaft zur Zusammenfuhrung von Licht eines breiten Spektralgebiets, insbesondere des gesamt sichtbaren Spektralgebiets des Lichts, in einem gemeinsamen EOBSW verwendet In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind alle Streifen-Wellenleiter des Breitb Verbindungsaufspalters EOBSW
Im Bedarfsfall kann die Koppelstelle aktiv beeinflußt werden Dazu ist die Koppelstell steuerbare Einheit zur Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung ausgebildet Der Breitband-Verbindungsaufspalter beinhaltet bei Bedarf eine Modulationsvorrichtu zur Umwandlung eines zweckmäßigen, im allgemeinen elektrischen Eingangssignals ein optisches Amplituden- oder Intensitatssignal, welche eine separate aktive Steueru des Lichts zweier oder mehrerer Lichtquellen bzw Wellenlangen bis zu sehr hohen Steuerfrequenzen (nach dem heutigen Stand der Technik bis in den GHz-Bereich) zulaßt
Die Amplituden- bzw Intensitatsmodulation des Lichts erfolgt nach einem der folgend Prinzipien
- elektrooptische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- akustooptische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- thermooptische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- magnetooptische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- opto-optische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur - photothermische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermateπalien in Verbindung mit einer integriert- optischen Interferometerstruktur,
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, opto-optische oder photothermische Modulation unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes
- Modulation durch Änderung des effektiven Brechungsindex infolge Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermateπalien unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes,
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, opto-optische oder photothermische cut-off-Modulation
- cut-off-Modulation aufgrund der Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermateπalien
- steuerbare Wellenleiterverstarkung,
- steuerbare Polaπsationsdrehung in Verbindung mit einem polarisierenden Bauelement oder polarisierenden Wellenleiter,
- Weilenleiter-Modenwandlung,
- Elektroabsorptionsmodulation,
- Modulation unter Nutzung eines integriert-optischen Schalt- oder Verteilerelements wie X-Koppler, Parallelstreifenkoppler, Richtkoppler oder BOA
- Modulation der Lichtquelle selbst oder
- Modulation durch Änderung der Koppeleffektivitat Lichtquelle-Wellenleiter
In der Koppelstelle erfolgt im passiven Fall eine räumliche Zusammenfuhrung und/oder Aufspaltung und/oder Umlenkung von Lichtanteilen und/oder eine Strahlablenkung und im aktiven Fall zusatzlich eine Modulation oder ein Schalten der Lichtanteile
Der Breitband-Verbindungsaufspalter kann vorteilhaft so betrieben werden daß Licht von Lichtquellen verschiedener Wellenlangen zeitlich nacheinander in den jeweiligen Streifen-Wellenleiter oder EOBSW eingekoppelt wird, in der Koppelstelle eine raumliche Zusammeπfuhrung der Lichtanteile erfolgt und im gemeinsamen EOBSW die zeitlich aufeinanderfolgenden Lichtanteile moduliert werden (Zeitmultiplexbetπeb) Als Substratmateπalien kommen prinzipiell alle Materialien in Frage, in denen sich EOBSW mit den oben genannten Anforderungen herstellen lassen und die, falls erforderlich, eine Möglichkeit der Wandlung eines modulierenden Eingangssignals in ein moduliertes optisches Amplituden- bzw Intensitatssignal aufweisen
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalter in Anordnungen, die eine gleichzeitige Fuhrung von Licht mehrerer Wellenlangen innerhalb eines nutzbaren Wellenlangenbereiches von einigen 100 nm in einem EOBSW erfordern und bei denen eine Steuerungsmoglichkeit der Lichtamplitude od der Intensität erforderlich ist, zum Zwecke der Farbmischung, der Meßtechnik, der Sensoπk, der Photometπe und der Spektroskopie, z B unter Ausnutzung interferometπscher Verfahren, wodurch die Grundlage für eine neue multifunktionale mikrosystemtechnische Bauelementefami e gegeben ist
Die Anwendung von EOBSW in Verbindung mit den Modulationsmechanismen legt d Grundlage für neue integriert-optische Detektions- und Spektroskopieverfahren, die z B interferometπsch arbeiten, und schafft die Möglichkeit der gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Verwendung mehrerer Wellenlangen aus einem breiten Wellenlängenbereich in einem EOBSW, wobei die Anwendung nicht auf den sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung beschrankt ist Die Vorteile der Erfindung bestehen in der Möglichkeit, Gerate und zum Beispiel elektrooptische Module herzustellen, die mit Massenproduktionsverfahren herstellba und in ihren Abmessungen miniaturisierbar sind Mit Hilfe der Erfindung ist die Möglichkeit gegeben, Lichtquellen, Verbindungsaufspaltung und/oder Verbmdungszusammenfuhrung, Ansteuerung und Detektion monolithisch oder hybrid auf einem Trager zu integrieren
Die integriert-optische Realisierung der Meßanordnungen begünstigt bei Analysemeßgeraten einen miniaturisierten Aufbau, außerdem reichen kleinste Probenmengen zur Analyse aus Diese kleinsten Probenmengen können bei hoher Meßgenauigkeit verwendet werden da das Meßfenster nur wenig breiter als der EOBSW sein muß und die Lange des Meßfensters im Milhmeterbereich liegen kann
Mit Hilfe der Meßanordnungen ist die Messung aller das Verhalten des geführten Lichts oder das Verhaltens des Streifen-Wellenleiters selbst beeinflussender physikalischer, biologischer und chemischer Großen von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern möglich, beispielsweise als Detektion der Änderung von Absorption, Brechzahl oder Streuung im EOBSW
Dabei ist bei einer vorgegebenen Meßanordnung, die einen Breitband- Verbindungsaufspalter enthalt, die freie Auswahl von mehreren Wellenlangen oder mindestens eines Wellenlangenbereiches aus einem breiten Wellenlangenspektrum möglich
Der erfindungsgemaße Breitband-Verbmdungsaufspalter bietet folgende Vorteile
- einmodige breitbandige Übertragung von Licht,
- in technischem Sinne die effektive Modulierbarkeit und/oder Schaltbarkeit des Lichts bis in den GHz-Bereich (nach dem derzeitigen Stand der Technik),
- je nach Erfordernis die Auswahl einer wellenlangenabhangigen Modulatioπsanordnung oder einer wellenlangenunabhangigen Modulationsanordnung ( z B Elektroabsorptionsmodulation, Modulation der Lichtquelle Graukeil) möglich,
- niedrige elektrooptische Modulationsspanπungen (einige Volt), im Vergleich zur volumenoptischen Pockels- oder Kerr-Zelle (einige 100 Volt), damit gute Kombinationsmoglichkeiten mit Verfahren, Strukturen und Bauelementen der Mikroelektronik,
- bei Einsatz von KT1OPO4 (KTP) als Substratmateπal im EOBSW hohe fuhrbare optische Leistungsdichten ohne störende Phasenanderungen, das heißt eine hohe Beständigkeit des Materials gegen chtinduzierte Brechuπgsindexanderungen Kurze Beschreibung der Zeichnungen Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert Es zeigen Figur 1 bis 4 Prinzipielle Anordnungen des Breitband-Verbindungsaufspalters Figur 5 Darstellung der Struktur und des Brechzahlverlaufes in einem Ti LiNbOß-Streifen-Wellenleiter Figur 6 Bandbreite des Ti.LiNbO -Verbindungsaufspalters
Figur 7 Darstellung der Struktur und des Brechzahlverlaufes in einem
Rb KTP-EOBSW Figur 8 Bandbreite des Rb KTP-Breitband-Verbindungsaufspalters
Figur 9 Allgemeine Darstellung des technisch relevanten
Wellenlangenbereiches für die effiziente Verbindungsaufspaltung Figur 10 Darstellung der Wellenlangenabhangigkeit effizienter
Verbindungsaufspaltung Figur 11 Breitband-Verbindungsaufspalter mit Modulationseinrichtungen
Figur 12 Breitband-Verbindungsaufspalter mit Mach-Zehnder-
Interferometer-Modulatoren Figur 13 Breitband-Verbindungsaufspalter aus Parallelstreifenkopplern mit steuerbaren Lichtquellen Figur 14 bis 17 Ausfuhrungsformen des Breitband-Verbindungsaufspalters Figur 18 Breitband-Verbindungsaufspalter mit steuerbaren Einheiten zur
Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung als 2x1 -Matrix Figur 19 Breitband-Verbindungsaufspalter mit passiven Einheiten zur
Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung und Modulatoren als 3x1 -Matrix Figur 20 Breitband-Verbindungsaufspalter mit steuerbaren Einheiten zur
Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung als mxn-Matπx Figur 21 Photometer-Anordnung mit separater Meßkuvette
Figur 22 Photometer-Anordnung mit Meßfenster
Figur 23 Breitband-Verbindungsaufspalter für Zeitmultiplex-Betπeb
Figur 24 bis 26 Breitband-Verbindungsaufspalter mit Phasenmodulatoren in den
Eingangszweigen Figur 27 Wellenlangensensor Figur 28 Wellenlangenselektiver Amp tudenmodulator
Figur 29 Brechzahlsensor
Figur 30 Breitband-Verbindungsaufspalter mit Frequenzumsetzern zur räumlichen Zusammenfuhrung von Lichtanteilen Figur 31 Breitband-Verbindungsaufspalter zur Erzeugung von Lichtanteilen verschiedener Wellenlangen aus Licht einer Wellenlange Figur 32 Breitband-Verbindungsaufspalter zur Erzeugung von Lichtanteilen verschiedener Wellenlangen aus Licht einer Wellenlange mit raumlicher Zusammenfuhrung Figur 33 bis 35 Sensoren zur Messung von Langen- und Brechzahlanderungen
7 Wege zur Ausfuhrung der Erfindung
Die Figuren 1 bis 4 zeigen prinzipielle Ausfuhrungsformen eines Breitband-
Verbindungsaufspalters Die Charaktenstika eines bekannten Titan-eindiffundierten
Streifen-Wellenleiters in LiNbOß und eines herkömmlichen Verbindungsaufspalters, der auf solchen Streifen-Wellenleitern basiert, werden in der Figur 5 und der Figur 6 veranschaulicht Demgegenüber werden die Charaktenstika eines erfindungsgemaßen einmodigen integriert-optischen Breitband-Streifen-Wellenleiters (EOBSW) und eines erfindungsgemaßen Breitband-Verbindungsaufspalters bezuglich ihrer Bandbreiten anhand eines Rubιdιum<→Kalιum lonenausgetauschten Streifen-Wellenleiters in
KT1OPO4 (KTP) in der Figur 7 und in der Figur 8 dargestellt
In der Figur 6 und in der Figur 8 wurde die Darstellungsform des effektiven
Brechungsindexes Neff 2 des Modus im Streifen-Wellenleiter, bezogen auf den Wert des
Brechungsindex des Substrates n-j , als Funktion der Wellenlange λ gewählt Jedem
Modus des Streifen-Wellenleiters kann eine effektive Brechzahl Nef zwischen der
Oberflachenbrechzahl n und dem größeren Wert von n und n (Brechungsindex des
Superstrates) zugeordnet werden
Der Wert von Ne f ist von der Wellenlange, den Substrat- Superstrat- und
Wellenleiterbrechzahlen bzw -brechzahlprofilen und der Wellenleitergeometne abhangig Jeder Modus mit dem Index ik (i, k > 0, ganzzahlig) wird somit in den Diagrammen mitt seiner effektiven Brechzahl als Linie Nj|< dargestellt, wobei i die Ordnung der Tiefenmoden und k die Ordnung der Lateralmoden symbolisiert.
Der Streifen-Wellenleiter ist einmodig, wenn zu einer gegebenen Wellenlänge aus eine Wellenlängenbereich ein und nur ein effektiver Brechungsindex - nämlich der effektive
Brechungsindex NQQ des Grundmodus - zuordenbar ist.
Für eine, technisch gesehen, ausreichende Führung des Lichts muß der effektive
Brechungsindex des jeweiligen Modus mindestens 5 x 10"^ über n | und/oder n3 liege
Die Bandbreite läßt sich somit direkt ablesen.
Figur 9 ist eine verallgemeinerte Darstellung des, technisch gesehen, einmodig effizie führbaren Wellenlängenbereiches im Streifen-Wellenleiter sowie des
Wellenlängenbereiches einer effizienten Verbindungsaufspaltung in einem
Verbindungsaufspalter.
Figur 10 zeigt den einmodig führbaren Wellenlängenbereich des Streifen-Wellenleiters sowie den Wellenlängenbereich der effizienten Verbindungsaufspaltung für den Fall erfindungsgemäßer EOBSW in Rubidiurrκ→Kalium ionenausgetauschtem KTΪOPO4
(KTP) und für den Fall herkömmlicher Titan-eindiffundierter Streifen-Wellenleiter in
LiNbO3, jeweils in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ selbst.
Darüber hinaus wird in Figur 10 der Bereich der erfindungsgemäßen EOBSW und Breitband-Verbindungsaufspalter in allgemeiner Form von Streifen-Wellenleitern und Verbindungsaufspaltern, die dem Stand der Technik entsprechen, abgegrenzt.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen zunächst prinzipielle Ausführungsformen eines Breitband- Verbindungsaufspalters.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen in ein Substratmaterial 1 eingebrachte einmodige integriert optische Breitband-Streifen-Wellenleiter (nachfolgend EOBSW genannt) 2, 3 und 5. Di EOBSW 2 und 3 haben je einen Eingang E-| und E2. An ihren Ausgängen A<| und A sind sie in einer Koppelstelle 6 zusammengeführt und werden als vereinigter EOBSW bis zu einem gemeinsamen Ausgang A^ geführt. Gemäß Figur 1 ist die Koppelstelle in der Y-Form gestaltet. Die Y-Form ist nicht zwingend. Es sind auch andere Einrichtungen zur Zweimodeninterferenz, wie Parallelstreifenkoppler gemäß Figur 2, X-Koppler gemäß Figur 3, Richtkoppler oder BOA realisierbar. Im Bedarfsfall kann die Koppelstelle 6 aktiv beeinflußt werden. Dazu ist die Koppelstelle 6 als eine steuerbare Einheit zur Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung 7 ausgebildet. Alle Streifen-Wellenleiter (EOBSW) 2, 3 und 5 sind im Beispiel gleichartig und führen Licht über einen großen Wellenlängenbereich, größer als etwa 130 nm (Angabe gilt für kurzwelliges sichtbares Licht), einmodig, um Licht mit einem Wellenlängenbereich größer als etwa 95 nm effizient verbindungsaufspalten zu können (siehe Figuren 3, 5 und 6). Die Eigenschaft der Einkoppel-Streifen-Wellenleiter 2 und 3, EOBSW zu sein, ist nicht zwingend, aber für eine Anwendung in jedem Falle vorteilhaft. Der erste EOBSW 2 wird an seinem Eingang E-| mit Licht der Wellenlänge λ-| oder des Wellenlängenbereichs Δλ-| beaufschlagt. Der zweite EOBSW 3 wird an seinem Eingang E mit Licht der Wellenlänge λ2 oder des Wellenlängenbereichs Δλ beaufschlagt. Am gemeinsamen Ausgang A^ des EOBSW 5 steht räumlich zusammengeführtes Licht zur Verfügung, das als Mischsignal M bezeichnet wird. Der Breitband-Verbindungsaufspalter kann auch in der entgegengesetzten Richtung, das heißt in aufspaltender Richtung, betrieben werden, um ein Lichtsignal in Lichtanteile aufzuspalten, die im Bedarfsfall in den EOBSW 2 und 3 einzeln steuerbar sind. Gemäß Figur 4 erfolgt eine Vereinigung der EOBSW durch integriert-optische Reflektoren R. Der EOBSW 2 wird über einen 90° Reflektor R-, in den EOBSW 8 umgelenkt. An der Stelle, wo der EOBSW 3 und der EOBSW 8 aufeinandertreffen e - zweiter Reflektor R2 angeordnet, der die Lichtanteile in den EOBSW 2 und 3 und/oα -- - räumlich vereinigt (Koppelstelle 6) und im EOBSW 5 weiterleitet. Bei Bedarf können 3 *■ Reflektoren R als steuerbare Reflektoren ausgebildet werden.
Die Figuren 5 und 6 erläutern zunächst die Verhältnisse am Beispiel eines herkömmlichen Titan-eindiffundierten Streifen-Wellenleiters in LiNbO3.
Figur 5 zeigt einen herkömmlichen Streifen-Wellenleiter 17 in einem Substratmaterial 1. Zur Herstellung des herkömmlichen Streifen-Wellenleiters wird in X-geschnittenem Lithiumniobat (LiNbO ) (X = kristallographische X-Achse, entspricht der y-Achse in Figur 5) eine Titaneindiffusion durchgeführt (R. V. Schmidt, I. Kaminow, Appl. Phys. Lett. Vol. 25 (1974), No. 8, pp. 458-460). Dazu wird auf die Substratoberfläche ein Titanstreifen 18 aufgespürter! Bei Temperaturen größer als 950°C diffundiert das Titan in den LiNbθ3-Kristall ein, wodurch die Brechzahl im Substratmaterial erhöht wird. In lateraler Richtung ist die Diffusionskonstante ca. doppelt so groß wie in Tiefenrichtung, deshalb verbreitert sich Konzentrationsverteilung des Titans im Kristall stark. Das entstandene Brechzahlprofil hat nach der Diffusionszeit tςj und bei der Ausgangsstreifenbreite w eine Form, die dur die nachfolgenden Formeln beschrieben wird.
Titan-eindiffundierte Streifen-Wellenleiter in LiNbO3 sind nicht in der Lage, Licht einer Bandbreite von mehreren 100 nm einmodig zu führen. Der Wellenleiter 17 ist als geometrisch wenig begrenzter Graben mit der Breite a und der Tiefe t ausgebildet. Der Graben hat eine Brechzahlverteilung nw = f(x, y), mit der Oberflächenbrechzahl n2 = nw (χ = υ- y = υ)' die gegenüber der Brechzahl n-| des umgebenden Substratmaterials erhöht ist. Die Diagramme in Figur 5 zeigen den qualitativen Verlauf der Brechzahl in x-Richtung und in y-Richtung. Typisch ist der stetige Übergang des Brechzahlverlaufes in der x-Richtung (dargestellt ist die Richtung x") und in der y-Richtung (dargestellt ist die Richtung y' ").
Figur 6 zeigt den Wellenlängenbereich (Bandbreite) effizienter Verbindungsaufspaltun eines Ti:LiNbO -Verbindungsaufspalters sowie den Wellenlängenbereich (Bandbreite) einmodiger Führung von Licht in einem Titan-eindiffundierten Streifen-Wellenleiter in LiNbO beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeinheit für eine Bezugswellenlänge der Berechnung von 500 nm.
Die Kurven zeigen den effektiven Brechungsindex für Z-polahsiertes Licht (Neff ,
Z = kristallographische Z-Achse, entspricht der x-Achse in Figur 5) des Grundmodus N und des ersten Modus Nji in lateraler Richtung für die Breite a des Streifen- Wellenleiters selbst und des zweiten Modus NQ2 in lateraler Richtung für die doppelte Breite 2a eines Streifen-Wellenleiters, d.h. entsprechend der vergrößerten Breite des wellenleitenden Bereichs am Verzweigungspunkt eines Y-Aufspalters, BOA oder X-Kopplers. Als Diffusionsquelle dient ein w = 3,0 μm breiter, 15 nm dicker gesputterte Titan-Streifen, der sich im Verzweigerbereich bis auf 2w (6,0 μm) verbreitert. Die Diffusionstemperatur beträgt 1000°C, die Diffusionszeit 3 Stunden. Das Verhältnis der Diffusionskonstanten der Titan-Ionen im LiNbO3 beträgt Dx / Dy « 2. Das Tiefenprofil berechnet sich nach nw = n1 + (n2 " nl) * eχP (" (y' ")2 ' ay2)> das laterale Brechzahlprofil berechnet sich nach nw = n-| + (n2 - n-j) * 0,5[erf( (2x'" + w) / 2ax) - erf( (2x' " - w) / 2ax)].
Hierbei ist ax = 2(DX t^ und entspricht der Breite a/2 in Figur 5, weiterhin ist ay = 2(Dy t,j)1/2 und entspricht der Tiefe t in Figur 5 und beträgt 2 μm.
Bei λ = 500 nm beträgt n-j = 2,2492; ri2 - n-| = 0,0080; die bekannte
Wellenlängenabhängigkeit (Dispersion) des Substratindex n-| ist kleiner Null. Die
Wellenlängenabhängigkeit (Dispersion) von (n2-n-|) ist bekannt und ebenfalls kleiner
Null. Das Symbol tςj bezeichnet die Diffusionszeit, erf ist die Fehlerfunktion (vgl. J.
Ctyroky, M. Hof man, J. Janta, J. Schröfel, "3-D Analysis ofLiNbO^ Ti Channel
Waveguides and Directional Couplers", IEEE J. of Quantum Electron., Vol. QE-20
(1984), No. 4, pp. 400-409).
Der beschriebene Streifen-Wellenleiter führt im Wellenlängenbereich von 490 nm bis
620 nm - in technisch effizientem Sinne - ausschließlich den Grundmodus Ngo, d.h. die
Bandbreite des Streifen-Wellenleiters beträgt Δλyy = 130 nm. Zur effizienten Verbindungsaufspaltung ist es erforderlich, das Anschwingen des zweiten Lateralmodus
NQ2 im gesamten verbreiterten Verbinder- bzw. Aufspalterbereich zu verhindern. Aus diesem Grund ist nur der Wellenlängenbereich zwischen dem Anschwingen des
Grundmodus NQO des Streifenwellenleiters der Breite a (entspricht der ursprünglichen
Streifenbreite w) bei λ = 620 nm und dem Anschwingen des zweiten Lateralmodus NQ2 im auf 2a (entspricht der ursprünglichen Streifenbreite 2w) verbreiterten Teil des Verbindungsaufspalters bei λ = 525 nm nutzbar. Somit verringert sich die effizient nutzbare Bandbreite Δλjsj des Verbindungsaufspalters um 35 nm auf den Wert Δλv = 95 nm. Die effektiven Brechzahlen wurden mit der Effektiven-Index-Methode (G.B. Hocker, W.K. Bums "Mode dispersion in diffused Channel waveguides by the effective index method". Appl. Optics. Vol. 16 (1977). No. 1 , pp. 113 - 118) berechnet.
ERSATzΕUTT (REGEL 26) Figur 7 zeigt den erfindungsgemäßen einmodigen integriert-optischen Breitband- Streifen-Wellenleiter (EOBSW) 2 in dem Substratmaterial 1 , im Beispiel Z-geschnitte Kaliumtitanylphosphat (KT1OPO4, KTP) (Z = kristallographische Z-Achse, entspricht d y-Achse in Figur 7) (M. Rottschalk, J.-P. Ruske, K. Hornig, A. Rasch, "Fabhcation and
Characterization of Singlemode Channel Waveguides and Modulators in KHOPO4 fo the Short Visible Wavelength Region", SPIE 2213, International Symposium on Integrated Optics, (1994), pp. 152 - 163).
Das Substratmaterial 1 wird mit einer Maske versehen, die nur an der zukünftigen Position des Streifen-Wellenleiters einen Spalt frei läßt. Der lonenaustausch erfolgt in einer Schmelze aus Rubidiumnitrat mit Anteilen von Bariumnitrat und Kaliumnitrat. Ei Diffusion erfolgt fast ausschließlich nur in der Tiefenrichtung, wobei sich nachfolgend beschriebenes Brechzahlprofil ausbildet. In lateraler Richtung folgt daraus ein Stufenprofil des Brechungsindex. Die Herstellbarkeit lateral scharf begrenzter schmal Strukturen ist gewährleistet, da die Übertragung von der Maske in den Wellenleiter infolge der nahezu fehlenden Seitendiffusion im Verhältnis 1 :1 erfolgt. Der EOBSW 2 ist als geometrisch scharf begrenzter Graben mit der Breite a und der Tiefe t ausgebildet. Der Graben hat eine Brechzahlverteilung nw = f(x, y), mit der Oberflächenbrechzahl n2 = nw (-a < x" < 0, y" = 0), die gegenüber der Brechzahl n-| umgebenden Substratmaterials 1 erhöht ist.
Die Diagramme in Figur 7 zeigen den qualitativen Verlauf der Brechzahl in x-Richtunq und in y-Richtung. Typisch ist der scharfe Sprung des Brechzahlverlaufes in der x-Richtung (dargestellt ist die Richtung x") und der vergleichsweise starke Anstieg αe Brechzahl von n-j auf n2 in der y-Richtung (dargestellt ist die Richtung y').
Figur 8 zeigt den Wellenlängenbereich (Bandbreite) effizienter Verbindungsaufspaltu eines Rb:KTP-Verbindungsaufspalters sowie den Wellenlängenbereich (Bandbreite) einmodiger Führung von Licht in einem Rubidium →Kalium ionenausgetauschten Streifen-Wellenleiter in KTP beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeinheit f eine Bezugswellenlänge der Berechnung von 500 nm.
ERSATZBLATT (REGEL 26) | Die Kurven zeigen den effektiven Brechungsindex für Z-polaπsiertes Licht (Nef χ, Z - kristallographische Z-Achse, entspricht der y-Achse in Figur 4) des Grundmodus NQO und des ersten Modus NQI in lateraler Richtung für die Breite a des Streifen- Wellenleiters selbst und des zweiten Modus NQ2 in lateraler Richtung für die doppelte Breite (2a) eines Streifen-Wellenleiters, d h entsprechend der vergrößerten Breite des wellenleitenden Bereichs am Verzweigungspunkt eines Y-Aufspalters, X-Kopplers oder BOA Bei λ = 500 nm betragt n-| = 1 ,9010, die bekannte Wellenlangenabhangigkeit (Dispersion) des Substratindex n<| ist kleiner Null (beschrieben in L P Shi, Application of crystals of the KTιOPθ4-type in the field of integrated optics, Dissertation Umv Köln
(1992)) Weiterhin gilt n2 - n<| = 0,0037 = const für den gesamten
Wellenlängenbereich Für die Diffusionskonstanten gilt DX / Dy ~ 10"^
Das laterale Brechzahlprofil ist demzufolge ein Stufenprofil (vgl Figur 4) mit der Breite a = 4,0 μm bzw 2a (8,0 μm) für die maximale Breite im Verzweigungsbereich
Das Tiefenprofil errechnet sich nach nw = n<| + (n2 - n-^ ) * erfc (-y'Vt) mit t = 4,0 μm, erfc = komplementäre Fehlerfunktion Der im Beispiel beschriebene EOBSW fuhrt im
Bereich von 470 nm bis 870 nm, in technisch effizientem Sinne, ausschließlich den
Grundmodus Noo. h die Bandbreite des Streifen-Wellenleiters betragt λ^ = 400 nm
Zur effizienten Verbindungsaufspaltung ist es erforderlich, das Anschwingen des zweiten Lateralmodus N02 im verbreiterten Verbinder- bzw Aufspalterbereich zu verhindern
Aus diesem Grund ist nur der Wellenlängenbereich zwischen dem Anschwingen des
Grundmodus NQO des Streifen-Wellenleiters der Breite a bei λ = 870 nm und dem
Anschwingen des zweiten Lateralmodus Nfj2 im auf 2a verbreiterten Teil des
Verbindungsaufspalters bei λ = 485 nm nutzbar Somit verringert sich die effizient nutzbare Bandbreite ΔλN des erfindungsgemaßen Verbindungsaufspalters geringfügig um 15 nm auf den Wert Δλv = 385 nm
Die effektiven Brechzahlen wurden mit der Effekt iven-lndex-Methode berechnet Figur 9 zeigt eine allgemeine Darstellung des technisch relevanten, nutzbaren Wellenlangenbereiches für die einmodige Wellenleitung in einem Streifen-Wellenleiter und für eine effiziente Verbindungsaufspaltung in einem Verbindungsaufspalter Technisch relevant heißt im Zusammenhang mit dieser Figur, daß der effektive
Brechungsindex Neff mindestens 5x10"^ über ns liegen muß, wobei ns den jeweils größeren Wert des Substratindex n-| bzw des Superstratindex n bezeichnet, um ein hinreichend geringe Wellenleiterdampfung, z B 1 dB/cm, zu gewahrleisten
Zu jeder gegebenen Wellenlange im Bereich Δλw ist dem Streifen-Wellenleiter ein un nur ein effektiver Brechungsindex, d h der effektive Brechungsindex NQQ des
Grundmodus, zuordenbar
Der Bereich der Einmodigkeit des Streifen-Wellenleiters wird durch das, technisch gesehen, effiziente Anschwingen des Grundmodus NQO bei der Wellenlange λa+Δλw einerseits und das, technisch gesehen, effiziente Anschwingen des ersten Modus in lateraler Richtung NQ-J oder des ersten Modus in Tiefenrichtung N-| Q bei der Wellenla λa andererseits bestimmt Zur effizienten Verbindungsaufspaltung ist es erforderlich,
Anschwingen des zweiten Lateralmodus NQ2 im verbreiterten Verbinder- bzw Aufspalterbereich, d h dem Koppelbereich mit erhöhter, z B verdoppelter Wellenleiterbreite, zu verhindern
Hieraus ergibt sich als ein weiteres Kriterium, das die nutzbare Bandbreite des Verbindungsaufspalters gegenüber derjenigen des Streifen-Wellenleiters einschrankt nämlich die spektrale Breite Δλv, d h den Wellenlängenbereich zwischen dem Anschwingen des Grundmodus NQO des Streifen-Wellenleiters einfacher Breite bei λa + Δλw und dem Anschwingen des zweiten Lateralmodus NQ2 i verbreiterten Koppeibereich, z B doppelter Breite, bei der Wellenlange λ^ Aus diesem Grund ist die nutzbare Bandbreite Δλ|sj der effizienten Verbindungsaufspaltung gleich dem kleineren der Werte von Δλw oder Δλv Figur 10 zeigt die einmodig übertragbaren Wellenlängenbereiche des dem Stand der Technik entsprechenden Streifen-Wellenleiters (bestehend aus Titan-eindiffundiertem
LiNbO3, Ti:LiNbO3) und des erfindungsgemäßen EOBSW (bestehend aus
Rubidiuιτκ-»Kalium ionenausgetauschtem KTiOPθ4, Rb:KTP) sowie die
Wellenlängenbereiche effizienter Verbindungsaufspaltung des dem Stand der Technik entsprechenden Verbindungsaufspalters und des erfindungsgemäßen Breitband- Verbindungsaufspalters, jeweils als Funktion der Wellenlänge λ. Von den mindestens drei Streifen-Wellenleitern, die den Breitband- Verbindungsaufspalter bilden, muß mindestens derjenige Streifen-Wellenleiter, der anwendungsgemäß einen breiten Wellenlängenbereich übertragen soll, ein EOBSW sein. Die der Bestimmung der einmodig übertragbaren Wellenlängenbereiche zugrundeliegende Berechnung der effektiven Brechungsindizes erfolgte mit Hilfe der Effektiven-Index-Methode.
Unter Zugrundelegung der bekannten Wellenlängenabhängigkeit (Dispersion) der für die Wellenleitung notwendigen Brechzahlerhöhung sowie der Wellenlängenabhängigkeit (Dispersion) des Substratindex wurden bei der Berechnung, ausgehend von der konkreten Bezugswellenlänge λa, zunächst die Wellenleitertiefe, danach die Wellenleiterbreite, bis zum jeweiligen Anschwingen des ersten Modus und schließlich die Wellenlänge bis zum Verschwindes des Grundmodus variiert.
Die obere Begrenzung des einmodig übertragbaren Wellenlängenbereichs Δλw ist also
die Wellenlänge λa+Δλw, bei der der effektive Brechungsindex NQQ des Grundmodus des Streifen-Wellenleiters 5χ10"5 über dem Substratindex liegt.
Der einmodig übertragbare Wellenlängenbereich eines erfindungsgemäßen EOBSW liegt in Figur 10 oberhalb der Geraden mit der Gleichung
Δλw = 0,48 x λ - 85 nm
(mit Angabe von λ und Δλw in nm).
Zu einer effizienten Verbindungsaufspaltung ist es erforderlich, das Anschwingen des zweiten Lateralmodus NQ2 im gesamten verbreiterten Verbinder- bzw. Aufspalterbereich zu verhindern. Aus diesem Grund ist nur der Wellenlängenbereich zwischen dem Anschwingen des Grundmodus NQO des Streifenwellenleiters der Breite a bei der Wellenlänge λa + Δλw und dem Anschwingen des zweiten Lateralmodus NQ2 im auf 2a verbreiterten Teil des Verbindungsaufspalters bei der Wellenlänge λ^ nutzbar.
Zusätzlich zu den die Bandbreite der Streifen-Wellenleiter Δλw darstellenden Kurven
sind die die Bandbreite der Verbindungsaufspalter Δλv beschreibenden Kurven dargestellt. Aus dem Stand der Technik läßt sich ableiten, daß die Größe des Bereichs effizienter Verbindungsaufspaltung Δλv die Ungleichung
Δλv > 0,27 x λ - 34 nm
(mit der Angabe von λ und Δλv in nm) erfüllen muß, um einen Breitband- Verbindungsaufspalter zu charakterisieren. Das Gebiet, das einem Breitband- Verbindungsaufspalter entspricht, ist in Figur 10 grau gekennzeichnet. Prinzipiell wird d
Bereich effizienter Verbindungsaufspaltung durch die untere (λmjn) und die obere
Grenze (λmax) des optischen Transmissionsbereiches des Wellenleitermaterials beschränkt (siehe Figur 9). Unter Verwendung geeigneter anderer Wellenleitermaterialien lassen sich die beiden Ungleichungen auch für kleinere bzw. größere Wellenlängen als für λmjn bzw. λmax des beispielhaft berechneten und
beschriebenen Substratmaterials KTΪOPO4 (KTP) anwenden.
Die Figuren 11 bis 17 zeigen erste beispielhafte Ausführungsformen von Breitband- Verbindungsaufspaltern.
Bei dem in Figur 11 gezeigten Ausführungsbeispiel wird Licht dreier Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge λ-j , λ2 und λ in je einen von drei EOBSW 2, 3 und 4 eingekoppelt, an den Koppelstellen 6 vereinigt und in dem EOBSW 8 bzw. dem EOBS 5 räumlich zusammengeführt, weitergeleitet und am Ausgang A^ des EOBSW 5 als Mischsignal M zur Verfügung gestellt. Zur Steuerung der Amplitude bzw. der Intensität der Lichtanteile in den einzelnen EOBSW ist das Licht jeder Lichtquelle selektiv modulierbar. Im Beispiel geschieht das durch die Signale S<| , S2 und S3, die steuerbaren Amplituden- bzw. Intensitätsmodulatoren AM-j , AM2 und AM3 zugeführt werden. Die steuerbaren Amplitudenmodulatoren bzw. Intensitätsmodulatoren AM<| , AM2 und AM sind an den einzelnen EOBSW 2, 3, und 4 angeordnet. In Abhängigkeit von den Steuersignalen entsteht aus den modulierten Intensitäten der einzelnen Wellenlängen ein Mischsignal M aus den sich räumlich überlagernden Lichtanteilen, deren jeweilige Intensität mittels der Amplitudenmodulatoren der Einzelwellenlängen einstellbar ist. Das Mischsignal M ist im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts als subjektiver Farbeindruck wahrnehmbar. Durch die Möglichkeit der elektrooptischen Modulation bis in den GHz-Bereich (heutiger Stand der Technik) kann die Anordnung zur Erzeugung schnell veränderlicher Lichtintensitäten und durch die räumliche Zusammenführung von Licht zur schnell veränderlichen physiologischen Mischung von Farben im menschlichen Auge genutzt werden.
Figur 12 zeigt eine Ausführungsform eines Breitband-Verbindungsaufspalters in einem KTiOPÜ4 (KTP)-Substrat 1 mit Amplitudenmodulatoren bzw. Intensitätsmodulatoren, die als Mach-Zehnder-Interferometer-Modulatoren MZI-j , MZI2 und MZI ausgebildet sind. Durch Anlegen von Steuerspannungen U-| , U2 und U3 an die Elektroden wird über den linearen elektrooptischen Effekt in dem elektrooptisch aktiven Material die Ausbreitungskonstante des Lichts in den beiden Zweigen eines Mach-Zehnder- Interferometers unterschiedlich geändert. An der Stelle der Zusammenführung im Mach- Zehnder-Interferometer kommt es zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz je nach Phasenlage der Lichtanteile. Mit den Steuerspannungen wird also die Amplitude der Lichtanteile in den EOBSW 2, 3 und 4 geregelt (siehe auch Figur 18).
Gemäß Figur 13 besteht eine weitere Möglichkeit der Amplituden- bzw. Intensitätsmodulation in der Modulation der Lichtquellen L-| , L2 und L3 selbst, die mittels der Steuersignale S-| , S2 und S3, z.B. bei Laserdioden über den Diodenstrom, erfolgt. An den EOBSW sind weitere Amplitudenmodulatoren dann nicht zwingend notwendig Der Breitband-Verbindungsaufspalter hat Koppelstellen 6, die hier als Parallelstreifenkoppler ausgebildet sind
Die Figuren 14 bis 17 stellen Breitband-Verbindungsaufspalter ar, deren Koppelstell 6 oder 6' mehr als zweifach aufspalten oder mehr als zweifach zusammenfuhren Die i den vorstehenden Figuren beschriebenen Losungen sind auch auf Breitband- Verbindungsaufspalter anwendbar, deren Koppelstellen mehr als 2 Eingange oder Ausgange haben. Das Licht wird in Aufspaltungsrichtung nicht notwendigerweise zu gleichen Lichtanteilen aufgespalten
Die Figur 14 zeigt Breitband-Verbindungsaufspalter, bei dem der Eingangs-EOBSW in der Koppelstelle 6' in Form eines Y-Aufspalters in drei EOBSW 2', 3' und 4' aufgespalten wird bzw bei dem in der Koppelstelle 6 in Form eines Y-Verbinders drei EOBSW 2, 3, 4, zusammengeführt werden
Figur 15 zeigt 3-fach-Breιtband-Verbιndungsaufspalter, deren Koppelstellen mit Parallelstreifenkopplern aufgebaut ist, im Aufspalter- bzw Verbinderbetrieb Figur 16 zeigt 3-fach-Breιtband-Verbιndungsaufspalter, deren Koppelstellen mit integriert-optischen Reflektoren aufgebaut ist, im Aufspalter- bzw Verbinderbetrieb Prinzipiell ist es möglich, eine beliebige Zahl Wellenleiter in einer Koppelstelle 6 zu vereinigen oder aufzuspalten (Figur 17) Grenzen werden durch die technologische Beherrschbarkeit der Herstellungsprozesse und die konstruktive Ausbildung der Koppelstelle gesetzt Im Aufspalterbetrieb des Breitband-Verbindungsaufspalters wird das Licht der Wellenlange Q oder des Wellenlangenbereichs Δλ in jeden EOBSW aufgeteilt In jedem EOBSW liegt kohärentes Licht vor, vorausgesetzt, das eingestrahlt Licht ist kohärent
Im Verbinderbetrieb werden die Lichtanteile gleicher oder unterschiedlicher Wellenlang räumlich zusammengeführt Dabei beeinflussen sich die Lichtanteile gegenseitig nicht
Die Figuren 18 bis 20 zeigen weitere integriert-optische Realisierungsvarianten des Breitband-Verbindungsaufspalters, bei denen die Koppeistellen 6 durch Wellenleiterkreuzungen erzeugt sind Die Kreuzungsstellen verhalten sich, je nach Bedarf, als völlig passive Kreuzungsstellen oder sie sind Koppelstellen 6 zur räumlichen Zusammenführung von Lichtanteilen oder sie sind als steuerbare Einheiten zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung 7, d.h. als Elemente, die Licht schalten, modulieren oder ablenken und räumlich zusammenführen können, ausgebildet. Die steuerbaren Einheiten zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung 7 arbeiten auf der Grundlage der Zweimodeninterferenz als X-Koppler, Richtkoppler oder BOA.
Figur 18 zeigt die Kreuzung von zwei EOBSW 2 und 3 mit einem weiteren EOBSW 5 als 2x1 -Matrix. Die Kreuzungen (Koppelstellen 6) sind als steuerbare Einheiten zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung 7' und 7"aufgebaut. Licht zweier Wellenlängen λ^ und λ wird in je einen der EOBSW 2 und 3 eingekoppelt. Die aktiven Koppelstellen wirken als selektive Lichttore, die das Licht im gemeinsamen EOBSW 5 in Richtung des Mischsignals M vollständig unbeeinflußt passieren lassen, jedoch die Lichtanteile der Wellenlängen λ-j und λ2 in den EOBSW 2 und 3 in Abhängigkeit von den angelegten Steuersignalen S-| und S2 elektrooptisch unterschiedlich intensiv in die Richtung des EOBSW 5 umlenken, wobei die Lichtanteile im EOBSW 5 räumlich zusammengeführt werden und als Mischsignal M am Ausgang A zur Verfügung stehen. Die nicht vollständig umgelenkten Lichtanteile werden in den EOBSW 2 und 3 zu Blindausgängen B fortgeführt.
Jede steuerbare Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung 7' und 7" ist so dimensioniert, daß sie für die jeweils ausgewählte Wellenlänge λ^ oder λ2 als Modulator wirkt und gleichzeitig den Lichtanteil ablenkt und räumlich mit dem anderen Lichtanteil vereinigt. Die jeweils andere Wellenlänge wird von dem Modulator nicht oder nur gering beeinflußt.
Bei einer noch verbleibenden gegenseitigen Beeinflussung der steuerbaren Einheiten zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung 7'und 7" wird der Grad der gegenseitigen Beeinflussung durch eine aktive Regelung der Steuersignale und/oder der Lichtquellen ausgeglichen. Diese Anordnung läßt sich vorteilhaft zeitmultiplex betreiben, so daß die Probleme bei der Entkopplung der steuerbaren Einheiten zur räumlichen Strahlvereinigung 7' und 7" entfallen. Infolge der möglichen sehr hohen Ansteuerfrequenz ist das problemlos realisierbar.
ERSÄTZBLATT (REGEL 26) Weiterhin ist ein dritter Lichtanteil mit der Wellenlange λ3 in einen Eingang E3 des EOBSW 5 einkoppelbar Dieser Lichtanteil ist mit den Lichtanteilen, die in den EOBS und 3 gefuhrt werden, raumlich vereinigbar
Figur 19 zeigt eine weitere integriert-optische Realisierungsvariante des Breitband- Verbindungsaufspalters als 3x1 -Matrix Die EOBSW 2, 3 und 4 kreuzen einen weitere EOBSW 5 Die Kreuzungen sind passive Koppelstellen 6, die Lichtanteile im EOSBW räumlich zusammenfuhren Modulatoren AM-| , AM2, und AM sind an jedem der EOBSW 2, 3 und 4 angeordnet, um die Lichtanteile zu modulieren Licht dreier Wellenlangen λ-| , λ2 und λ3 wird in je einen der EOBSW 2, 3 und 4 eingekoppelt Die Koppelstellen 6 wirken als Lichtstrahlvereiniger und Lichtablenker Das raumlich zusammengeführte Licht wird aus dem EOBSW 5 als Mischsignal M ausgekoppelt An den EOBSW 2, 3 und 4 sind elektrooptische Modulatoren AM-j , AM2 und AM3 angeordnet, welche die Lichtanteile der Wellenlangen λ-| , λ2 und λ in Abhängigkeit v den angelegten Steuersignalen S-| , S2 und S3 unterschiedlich stark passieren lassen Weiterhin ist auch hier ein Lichtanteil mit der Wellenlange λ4 in einen Eingang E4 des EOBSW 5 einkoppelbar Dieser Lichtanteil ist mit den Lichtanteilen, die in den EOBS 3 und 4 gefuhrt werden, raumlich vereinigbar
Für den Fall der Verwendung von drei Lichtanteilen kann alternativ auf einen der EOBSW 2, 3, oder 4 mit den zugehörigen Modulatoren und Koppelstellen verzichtet werden
Figur 20 zeigt eine weitere integriert-optische Realisierungsvariante des Breitband- Verbindungsaufspalters als 3x4-Matrιx Die Kreuzungen sind entweder Stellen, die Lic in den EOBSW völlig unbeeinflußt übertragen (passive Kreuzungsstelle) oder passive Koppelstellen 6 oder steuerbare Einheiten zur raumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung 7
Licht dreier Wellenlangen λ-j , λ2 und λ wird in je einen der EOBSW 2, 3 und 4 eingekoppelt Die EOBSW 2, 3 und 4 kreuzen die vier EOBSW 8', 8", 8' " und 5 Zur Erläuterung der Funktion sind die Kreuzungspunkte in Form einer Matrix dargestellt. In den Kreuzungspunkten, die durch die Spalten-Zeilen 1-1 , 2-2 und 3-3 bestimmt sind, sind aktiv steuerbare Einheiten zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung 7 angeordnet. Diese Einheiten dienen der Modulation der drei Lichtanteile.
In den Spalten-Zeilen 1-4, 2-4 und 3-4 sind passive Koppelstellen 6, die Lichtanteile räumlich vereinigen und/oder ablenken, angeordnet. Die Koppelstellen 6 werden hier nicht angesteuert. Sie dienen der räumlichen Zusammenführung der Lichtanteile zum Mischsignal M im gemeinsamen EOBSW 5. Die nicht benötigten Lichtanteile werden in die Blindausgänge B der EOBSW 2, 3, 4, 8', 8" und 8'" geleitet.
Weiterhin sind auch hier weitere Lichtanteile in die Eingänge E4, E5 und E5 der EOBSW 8', 8" und 8' " einkoppelbar und steuerbar. Diese Lichtanteile sind mit den Lichtanteilen, die in den EOBSW 2, 3 und 4 geführt werden, räumlich vereinigbar.
Die Figuren 21 und 22 zeigen Anordnungen zur Bestimmung der Konzentration eines bestimmten Stoffes durch eine photometrische Messung. Die integriert-optische Realisierung der Meßanordnung mit Hilfe von Breitband-Verbindungsaufspaltern ermöglicht eine Miniaturisierung der Probenmenge, bei gleichzeitiger Erhöhung der zur Messung verwendbaren Bandbreite gegenüber herkömmlichen Lösungen.
In Figur 21 wird die Absorption eines in einer separaten Meßküvette 14 befindlichen Meßmediums 16 (Flüssigkeiten oder Gase) mit einem Photoempfänger 12 bestimmt. Diese Messungen in Transmission können auch an einem festen Körper vorgenommen werden (nicht dargestellt). Weiterhin sind Messungen in Reflexion möglich (nicht dargestellt).
Licht dreier verschiedener Wellenlängen wird in jeweils einen EOBSW 2, 3 und 4 eingekoppelt, räumlich zusammengeführt und durchstrahlt dann zwischen dem Ausgang AM des gemeinsamen EOBSW 5 und dem Photoempfänger 12 eine Meßküvette 14, in der sich eine Meßflüssigkeit 16 befindet. Vorteilhafterweise ist zwischen der Meßküvette 14 und dem Wellenleiterausgang A|^ eine Auskoppelanordnung 11 zur Lichtauskopplung und Strahlformung angeordnet.
ERSÄTZBLATT (REGEL 26) Die Messung kann nach einem der nachfolgend beschriebenen Verfahren durchgefüh werden: a) Es erfolgt eine zeitmultiplexe Auskopplung der einzelnen Lichtanteile am Wellenleiterausgang A^. Es erfolgt eine direkte Messung (ohne Filter) der Absorption der jeweiligen Wellenlänge.
Mit Hilfe der Modulatoren AM<| , AM2 und AM3 in jedem EOBSW 2, 3 und 4 können du die Steuersignale Si , S2 und S3 die Lichtanteile geschalten werden oder es erfolgt ei Schalten der Lichtquellen selbst.
Bei einer Messung der Fluoreszenz befinden sich jedoch vorteilhafterweise Filter Fi zwischen der Meßküvette 14 und dem Photoempfänger 12, um Anregungslicht und Meßlicht zu trennen. b) Es erfolgt eine gleichzeitige Einkopplung aller Lichtanteile in die jeweiligen Eingäng der EOBSW und eine gleichzeitige Auskopplung der Lichtanteile am Ausgang des EOBSW A|\/|. Die Auswahl der Meßwellenlänge erfolgt durch Einschwenken eines Filt Fi zwischen Meßküvette 14 und Photoempfänger 12 (ohne Modulatoren).
Eine Amplitudenmodulation der Lichtanteile ist an sich bei allen Messungen vorteilhaft, da sich mit dynamischen Meßverfahren in der Regel höhere Meßgenauigkeiten erziele lassen.
Die Zahl der verwendeten Wellenlängen ist nicht zwingend drei, sondern die Zahl kan nach Verwendungszweck zwei oder mehr sein.
Gemäß Figur 22 wird die absorbierende Wirkung von Meßmedien 16 (gasförmig, flüs fest) auf das im Superstrat befindliche evaneszente Feld der geführten Welle gemess
Hierzu wird der abgedeckte gemeinsame EOBSW 5 mit einem definierten Meßfenster versehen, auf das das Meßmedium 16 aufgebracht wird.
Die Lichtanteile der Wellenlängen λ-| , λ2 und λ3 werden durch die
Amplitudenmodulatoren AM<| , AM2 und AM3 moduliert.
Durch die Absorption des Meßmediums selbst oder durch Änderung der
Oberflächenstreuung kommt es zur Änderung der Wellenleiterdämpfung, die sich in ei
Änderung des Photostroms lpn äußert. Diese Variante nutzt aus, daß bei Licht eines i
Streifen-Wellenleiter geführten Modus ein Teil des elektrischen bzw. magnetischen
Feldes außerhalb des EOBSW selbst geführt wird (evaneszentes Feld).
ERSÄΓZBLATT (REGE 26) Diese Feldanteile sind also von außerhalb des EOBSW erreichbar und beeinflußbar. Wenn sich auf dem EOBSW ein absorbierendes Medium befindet, wird also das evaneszente Feld selbst, je nach Absorption, gedämpft oder die Oberflächenstreuung des EOBSW durch das Aufliegen eines nicht notwendigerweise absorbierenden Mediums verändert. Beides hat zur Folge, daß sich die Wellenleiterdämpfung ändert, was mit dem Photoempfänger 12 meßbar ist. Die Oberfläche des Substrates, die mit dem Meßmedium in Berührung kommt, wird mit Ausnahme des Meßfensters 15 mit einer Pufferschicht (z.B. SiÜ2) abgedeckt, damit das evaneszente Feld nur im Bereich des Meßfensters zugänglich ist. Außerdem wird so eine genau definierte Meßlänge (da die Gesamtabsorption von der Länge des Meßfensters abhängig ist) festgelegt. Mit Hilfe der Meßanordnung ist durch die Messung von z.B. Absorption, Brechzahl oder Streuung die Bestimmung des Einflusses von physikalischen, biologischen und chemischen Größen von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern möglich, die eine Änderung im Verhalten des geführten Lichts oder des Streifen-Wellenleiters selbst bewirken.
Eine weitere Realisierungsvariante besteht in der Beschichtung des Meßfensters 15 mit einer auf physikalische, chemische oder biologische äußere Einflüsse reagierende Substanz, die bei Einwirken eines äußeren Einflusses das Verhalten des geführten Lichts oder des EOBSW selbst beeinflußt.
Die integriert-optische Realisierung der Meßanordnung begünstigt einen miniaturisierten Aufbau. Es können kleinste Probenmengen verwendet werden, da das Meßfenster nur wenig breiter als der Wellenleiter sein muß und die Länge im Millimeterbereich liegen kann.
Figur 23 zeigt einen Breitband-Verbindungsaufspalter, der zeitmultiplex betrieben wird. An den Eingängen E-j und E2 liegen wechselseitig Signale konstanter Amplitude an und werden nach der räumlichen Vereinigung der Lichtanteile entsprechend des an dem A plitudenmodulator AM-| anliegenden Signales S in ihrer Amplitude moduliert. Das linke Diagramm zeigt den Amplitudenverlauf des zeitmultiplex anliegenden Signals der Wellenlängen λ-j und λ2- Das mittlere Diagramm zeigt den Verlauf des Signals S zur Modulation der Lichtanteile.
ERSATZBLÄTT (REGEL 26) Das rechte Diagramm stellt den Verlauf der am Ausgang A^ zur Verfugung stehende zusammengeführten Lichtanteile (Mischsignal M) dar
Die Figuren 24 bis 26 zeigen erfindungsgemaße Breitband-Verbindungsaufspalter, wobei mindestens ein EOBSW 2 und/oder 3 mit einer Elektrodenstruktur 10 zur
Phasenmodulation versehen ist
Die Elektroden 10 haben eine wirksame Elektrodenlange L von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern und einen Elektrodenabstand d von einigen μm
Die Möglichkeit der Modulierbarkeit des Lichts ist durch die Verwendung eines
Substratmateπals erfüllt, das eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Phase eines in einem Streifen-Wellenleiter geführten optischen Modus zulaßt
Im Beispiel wird als Substratmatenal KT1OPO4 (KTP) verwendet Das Eingangssignal eine diskrete Wellenlange λ oder ein Wellenlängenbereich Δλ
Figur 24 zeigt einen Breitband-Verbindungsaufspalter, dessen EOBSW 2 mit Elektrod 10 zur Phasenmodulation versehen ist
Bei Beaufschlagung der Eingange E-| und E2 mit der gleichen Wellenlange λ-| kommt im Falle der Verwendung kohärenten Lichts in der Koppelstelle 6 je nach Phasenlage konstruktiven oder destruktiven Interferenz Die wirksame Elektrodenlange im Einzelwellenleiter 2 ist hier L
Figur 25 zeigt einen Breitband-Verbindungsaufspalter, dessen zwei EOBSW 2 und 3 jeweils mit Elektroden 10 zur Phasenmodulation versehen sind, die im Gegentakt arbeiten Bei Beaufschlagung der Eingange E-| und E2 mit der gleichen Wellenlange kommt es im Falle der Verwendung kohärenten Lichts in der Koppelstelle 6 je nach Phasenlage zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz Die wirksame Elektrodenlange in jedem Einzelwellenleiter 2 bzw 3 ist hier U2 Bei Beaufschlagung Eingang E-| und E2 mit λ-j ist die gesamte wirksame Elektrodenlange L, da im Beispi die Elektroden U2 lang sind, aber im Gegentakt arbeiten, wodurch sich die Langen addieren Die Phasenlage kann mit der Modulationsspannung U gesteuert werden Durch die Verwendung von EOBSW ist die Funktion über ein breites Wellenlangenba sichergestellt
ERSATZBLÄTT (REGEL 26) Zur Bereitstellung des in der Koppelstelle 6 in Figur 24 oder in Figur 25 erforderlichen interferenzfahigen Lichts kann ein Breitband-Verbindungsaufspalter in Aufspaltungsrichtung verwendet werden (Figur 26)
Licht einer Wellenlange λ oder eines Wellenlangenbereichs Δλ wird einem Eingang E eines EOBSW 5' zugeführt Der EOBSW 5' wird in der Koppelstelle 6' in die EOBSW 2 und 3 aufgespalten Jeder der EOBSW 2 uno 3 fuhrt dann interferenzfahiges Licht
Figur 26 stellt somit einen Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) -Modulator aus EOBSW dar Dieser Breitband-Modulator arbeitet wellenlangenselektiv
Figur 27 zeigt den Breitband-Verbindungsaufspalter aus Figur 26 mit der Bereitstellung interferenzfahigen Lichts durch einen Breitband-Verbindungsaufspalter in Aufspaltungsrichtung Es entsteht eine MZI-Struktur aus EOBSW, die aufgrund ihrer Breitbandigkeit als Wellenlangensensor verwendet wird Licht der zu bestimmenden Wellenlange λ wird in den Eingang E des EOBSW 5' eingekoppelt, an den sich die integriert-optische MZI-Struktur anschließt Beide Zweige sind mit Phasenmodulatoren, die im Gegentakt arbeiten, versehen (Elektroden 10) Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit der Phasenmodulation der in den Interferometerarmen geführten Lichtanteile Bei Änderung einer an die Elektroden 10 angelegten Spannung U ändert sich aufgrund des elektrooptischen Effektes die Phase des Lichts in den Interferometerarmen und somit die Amplitude bzw Intensität des ausgekoppelten Lichts am Ausgang A Das modulierte Licht wird durch eine Meßeinrichtung 9 erfaßt
Im Beispiel fallt das Licht auf einen Photoempfanger 12 , mit dessen Hilfe die geführte Lichtleistung bestimmt wird Die Meßeinrichtung besteht aus einer Auskoppelanordnung 11 , die das modulierte Licht auf den Photoempfanger 12 bündelt Eine Anzeigeeinrichtung 13 zeigt die Lichtleistung an die mittels des Photoempfangers 12 gemessen wird
ERSÄTZBLÄTT (REGEL 26) Der Zusammenhang zwischen elektrischer Modulationsspannung und Phase des geführten optischen Modus im Falle eines elektrooptischen Modulators in
Z-geschnittenem KTP und bei TM-Licht, (d h die Oberflachennormale des Substrats die Richtung des elektrischen Feldvektors des geführten linear polarisierten Lichts entsprechen der knstallographischen Z-Achse) bestimmt sich durch
U = - (Δφ λ d) / (π L nz 3 r33 r) (1)
Einer Phasenverschiebung von π entspricht somit die Halbwellenspannung Uπ gemä
Uπ = - (λ d) / ( L nz 3 r33 r) (2)
Legt man eine Rampenspannung (Figur 27, linkes Diagramm) an die Elektroden, verändert sich der Photostrom entsprechend der geführten Leistung des Lichts am Modulatorausgang (Figur 27, rechtes Diagramm)
Hieraus laßt sich Uπ (Spannung zwischen einem Minimum an geführter Leistung und einem benachbarten Maximum) bzw ein Vielfaches von Uπ bestimmen Entsprechen (2) ist Uπ von der Wellenlange abhangig Anhand einer bei Herstellung des Sensors bestimmten Kalibrierungskurve Uπ = f(λ) laßt sich somit mittels der Messung der
Halbwellenspannung die Wellenlange des Lichts ermitteln Das Photoelement muß - h im Zusammenhang mit der Verwendung des erfindungsgemaßen Breitband- Verbindungsaufspalters - die Detektierbarkeit über den gesamten Wellenlängenbereic gewährleisten Die Lichtquelle darf kein breitbandiges Licht aussenden, denn die Linienbreite bestimmt die Auflosung der Meßanordnung mit, d h , wenn die Auflosung voll ausgenutzt werden soll, muß die Linienbreite in oder unter der Größenordnung de Auflosung liegen Anstelle der Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur können auch integriert-optische Interferometerstrukturen, beispielsweise Michelson-Interferometer, verwendet werden Das Funktionsprinzip ist analog
Figur 28 zeigt ein breitbandiges optisches Filter, das aus einem Wellenlängenbereich Δλ^ einen Teil ausfiltert Dies erfolgt aufgrund der Wellenlangenselektivitat der im Beispiel verwendeten Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur Der am Ausgang ausgekoppelte Wellenlängenbereich Δλ^ enthalt den verbleibenden Teil des Wellenlangenbereichs Δλ^ Ist der Wellenlängenbereich Δλ^ Weißlicht, entspricht der ausgekoppelte Wellenlängenbereich Δλ der Komplementärfarbe des ausgefilterten Lichtanteils.
Figur 29 zeigt einen miniaturisierten Sensor zur spektralen Bestimmung von Brechzahlen, der breitbandig betreibbar ist. Licht verschiedener Wellenlängen wird mit Hilfe eines Breitband-Verbindungsaufspalters räumlich zusammengeführt und anschließend durch eine Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur geführt. Die Amplituden¬ bzw. Intensitätsmodulatoren AMj dienen zur Auswahl der gewünschten Wellenlänge. Ein Arm des Mach-Zehnder-Interferometers MZI ist analog Figur 22 mit einem Meßfenster 15 versehen, entsprechend dessen Länge ist der Betrag der Phasenverschiebung bei Aufbringen des Meßmediums bestimmt; der andere Zweig kann zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und zur Richtungsbestimmung des Brechzahlunterschiedes zwischen dem Superstrat ohne bzw. mit Meßmedium 16 mit einem Phasenmodulator versehen werden. Beim Aufbringen des Meßmediums 16 wird aufgrund der geänderten Brechzahl des Superstrates die Ausbreitungskonstante der geführten Welle geändert, das bewirkt eine Phasenänderung, die interferometrisch bestimmt werden kann. Das Interferometer wandelt die Phasenänderung in ein Amplitudensignal bzw. Intensitätssignal um. Aus den Brechzahlunterschieden kann auch auf Stoffe bzw. deren Konzentration geschlossen werden. Die Anzahl der Eingänge ist durch die Anzahl der verschiedenen Wellenlängen fest angekoppelter Lichtquellen bestimmt. Bei Verwendung einer Lichtquelle, die Licht mehrerer Wellenlängen selektiv zur Verfügung stellen kann, ist nur ein Eingang nötig
Die Figuren 30 bis 32 zeigen Anordnungen mit EOBSW, die zur Erzeugung von Lichtanteilen verschiedener Wellenlängen und deren räumlicher Zusammenführung geeignet sind.
Falls als Lichtquellen Laserdioden verwendet werden müssen, ist die Bereitstellung des, blauen und grünen Lichts zur Zeit noch nicht in dieser Form möglich. Zu diesem Zwec* kann man das Prinzip der Erzeugung der zweiten Harmonischen anwenden, falls nichtlinear- optisch aktive Materialien verwendet werden (z.B. KTP). Zwischen Pumpwelle und Zweiter Harmonischer muß Phasenanpassung erreicht werden. In KTP wird das Prinzip des Quasi-Phase-Matching (QPM) verwendet.
ERSATZBLÄTT (REGEL 26) Hierzu wird ein Stück des Wellenleiters segmentiert, um eine ferroelektrische Domänenumkehr zu bewirken. Auf diese Weise wird eine Phasenanpassung zwischen Pumplichtwelle und harmonischer Lichtwelle erreicht. Pumplicht genügender Leistung vermag dann Licht der halben Wellenlänge zu erzeugen, d.h. z.B. das Laserdiodenlich der Wellenlänge 830 nm wird zu Licht der Wellenlänge 415 nm. Es lassen sich weitere höhere Harmonische erzeugen, z.B. Licht der Wellenlänge λ/4. Eine weitere Variante zur Frequenzumsetzung ist die Summen- (Sum frequency generation (SFG)) bzw. Differenzfrequenzbildung. Beide Varianten lassen sich in KTP durchführen (z.B. M.L. Sundheimer, A. Villeneuve, G.l. Stegemann and J.D. Bierlein, "Simultaneous generation of red, green and blue light in a segmented KTP waveguide using a Single source", Electronics letters, 9th June 1994, vol. 30, No. 12, pp. 975-976) Mittels beider Varianten kann z.B. infrarotes Licht in sichtbares Licht verschiedener diskreter Wellenlängen umgesetzt werden.
Gemäß Figur 30 werden Elemente zur Frequenzumsetzung FU in je einen EOBSW 3 und 4 eingesetzt. Die Wellenlänge λ2 wird zur Wellenlänge λ4, die Wellenlänge λ3 wir zur Wellenlänge λ5 transformiert. Die Wellenlängen λ<| , λ4 und λ$ stehen am Mischsignalausgang A^ als räumlich zusammengeführtes Licht zur Verfügung. Vom jeweiligen Verwendungszweck des Breitband-Verbindungsaufspalters hängt es a welche und wieviele EOBSW mit Elementen zur Frequenzumsetzung FU ausgerüstet werden.
Gemäß Figur 31 und Figur 32 gelangt Licht der Wellenlänge λg in Breitband- Verbindungs-aufspalter, die im Auf spalterbetrieb betrieben werden. Lichtanteile mit de Wellenlänge λ0 gelangen in die EOBSW 2', 3' und 4'. In jedem der EOBSW 2', 3' un 4' ist ein Element zur Frequenzumsetzung FU angeordnet.
Je ein Element zur Frequenzumsetzung FU erzeugt jeweils die Wellenlänge λ-| , λ2 un λ3. In Figur 31 sind die Lichtanteile der Wellenlängen λ-| , λ und λ auskoppelbar. In Figur 32 werden diese Lichtanteile in den folgenden Breitband-Verbindungsaufspalter im Verbinderbetrieb räumlich zusammengeführt. Am Ausgang A^ steht räumlich zusammengeführtes Licht der Wellenlängen λ<| , λ2 und λ3 zur Verfügung.
ERSÄTZBLATT (REGEL 26) Die Figuren 33 bis 35 stellen integriert-optische Sensoren zur Messung von Längenänderungen und/oder Brechzahländerungen dar. Die Sensoren werden mit einer integriert-optischen Michelson-Interferometer-Struktur realisiert, die EOBSW als Wellenleiter verwendet.
Die Figur 33 verwendet zwei einzelne Y-Breitband-Verbindungsaufspalter.
Die Figur 34 verwendet einen Richtkoppler und die Figur 35 verwendet einen X-Koppler oder einen BOA.
Das Funktionsprinzip des Sensors zur Messung von Längenänderungen ist in jedem der Beispiele gleich. Licht einer Wellenlänge λ* wird in den Eingang E des EOBSW 2' eingekoppelt. In der Koppelstelle 6' (Figur 33) bzw. in der Koppelstelle 6 (Figur 34 und 35) wird das Licht in zwei Wellenleiterarme aufgeteilt und an den Detektorausgängen D-j und D2 ausgekoppelt. Dieses Licht wird mittels der Auskoppeloptik 11 auf zwei Spiegel gerichtet. Ein Spiegel Sp(f) ist ortsfest. Statt dieses Spiegels kann auch eine Wellenleiterendfläche verspiegelt werden oder ein integriert-optischer Reflektor im EOBSW vor dem Wellenleiterausgang angeordnet werden. Der zweite Spiegel Sp(b) ist am beweglichen Meßobjekt befestigt.
Die Lichtanteile werden mittels der Spiegel in die Wellenleiterausgänge D-| und D2 zurückreflektiert und werden auf ihrem zweiten Weg durch die Wellenleiterstruktur in der Koppelstelle 6' (Figur 33), bzw. in der Koppelstelle 6 (Figur 34 und 35) zur Interferenz gebracht.
Das überlagerte Licht wird wieder aufgeteilt und ist am Ausgang A und am Eingang E auskoppelbar. Das aus dem Ausgang A auskoppelbare Licht wird auf einen Photoempfänger 12 gerichtet, in dem ein Photostrom L^ erzeugt wird. Wird nun die optische Weglänge im Auskoppelzweig zwischen D und Sp(b) geändert, so ändert sich auch die Phasenlage zwischen den beiden reflektierten und wieder eingekoppelten Lichtanteilen und somit auch die Amplitude bzw. die Intensität des an dem Photoempfänger anliegenden Signals. Einer Positionsänderung von λ/2 des Spiegels Sp(b) in Strahlrichtung entspricht eine volle Durchmodulation des Photostromes lpn.
ERSÄTZBLATT (REGEL 26) Bei einer zusätzlichen, in den Figuren 33 bis 35 vorgesehenen Verwendung eines Phasenmodulators in den Wellenleiterzweigen, der im Beispiel durch die an die EOBS angelegte Elektrodenanordnung 10 realisiert ist, und/oder gleichzeitiger Einkopplung v Licht zweier Wellenlängen λ<| und λ2 im EOBSW 2' und wellenlängenselektiver Messu wird eine Richtungserkennung der Phasenänderung ermöglicht. Durch die Verwendung von EOBSW ist weiterhin eine Erhöhung des Auflösungsvermögens durch die Möglichkeit der Nutzung kürzerer Wellenlängen realisierbar. Bis jetzt ist kein Streifen-Wellenleiter bekannt, in dem Licht des Wellenlängenbereiches des blauen Lichts oder noch kürzerer Wellenlängen einmodig führbar und modulierbar ist.
Bei feststehendem Spiegel Sp(b) und Einbringen eines Meßmediums zwischen dem Spiegel Sp(b) und dem Detektorausgang D2 liegt ein Sensor zur Bestimmung der Brechzahl des Meßmediums vor.
ERSATZBLÄTT (REGEL 26) Bezuqszeichen
1 Substrat
2 EOBSW bzw Streifen-Wellenleiter
3 EOBSW bzw Streifen-Wellenleiter
4 EOBSW bzw Streifen-Wellenleiter
5 gemeinsamer EOBSW
6 Koppelstelle
7 steuerbare Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung
8 EOBSW bzw Streifen-Wellenleiter
9 Meßeinrichtung
10 Elektroden
11 Auskoppelanordπung
12 Photoempfanger
13 Anzeigeeinrichtung
14 Meßküvette
15 Meßfenster
16 Meßmedium
17 Ti LιNbO3-Streιfen-Wellenleιter
18 Titanstreifen
"-1. L2. L 3 Lichtquellen
MZI I-, , MZI2, MZI3 Mach-Zehnder-Interferometer
AM 1 , AM2,
AM 3 AM4 Amp tudenmodulatoren
E, E1 , E2, E3 Lichteingange
A, A1 , A2, A3 Lichtausgange
Si - s2 s3 Steuersignale
Ul - u2, u3 Steuerspannungeπ
R F R1 > R2 integriert-optische oder mikrooptische Reflektoren
M Mischsignal AM Mischsignalausgang
U Elektrodenspannung lpn Photostrom
Δφ elektrooptisch erzeugte Phasenanderuπg d Elektrodenabstand
L Elektrodengesamtlange nz Brechzahl für Z-polaπsiertes Licht r33 Element des elektrooptischen Tensors r|k, das die
Vermittlung eines elektrischen Feldes in Z-Richtung mit der
Brechzahl für Z-polaπsiertes Licht bewirkt r Uberlappuπgsfaktor zwischen dem äußeren elektrischen Feld d Elektroden und dem inneren elektrischen Feld des geführten optischen Modus
T Zeitintervall t|/j Meßzeit (Achse)
ST wellenlangenselektiver Strahlteiler
Sp(f) feststehender Spiegel
Sp(b) beweglicher Spiegel
D-j , D2 Detektorausgange (Wellenleiterausgange)
Dx, Dy, Dz Diffusionskonstanten
NQO effektiver Brechungsindex des Grundmodus
Ngi effektiver Brechungsindex des 1 Modus in lateraler Richtung
N-j Q effektiver Brechungsindex des 1 Modus in Tiefenrichtung
NQ2 effektiver Brechungsindex des 2 Modus in lateraler Richtung
Ne f effektiver Brechuπgsmdex des Modus im Streifen-Wellenleiter
Neff z effektiver Brechungsindex des Z-polaπsierten Modus des
Streifen-Wellenleiters ax Zwischenwert einer Lange in x-Richtung ay Zwischenwert einer Lange in y-Richtung a Breite der Struktur bzw des Brechzahlprofils t Tiefe (Hohe) der Struktur bzw des Brechzahlprofils w Ausgangsbreite des Titanstreifens bei der Emdiffusion t,j Diffusionszeit x-y-z Koordinatensystem nw Brechzahlverteilung im wellenleitenden Bereich nw = f(x, y) n^ Brechzahl des Substrates n2 Brechzahl des wellenleitenden Bereiches an der Oberflache n3 Brechzahl des Superstrates ns Brechzahl des Substrates falls n-| > n3 oder
Brechzahl des Superstrates falls n3 > n-j d(n2 - ns) / dλ Wellenlangenabhangigkeit (Dispersion) der für die Wellenleitung notwendigen Brechungsmdexerhόhuπg Z kristallographische Z-Achse (oder c-Achse)
XQ, , λg Wellenlangen λa Wellenlange, die im Falle der Angabe des einmodigen
Wellenlangenbereichs dem kurzwelligen Abschluß des einmodigen
Wellenlangenbereichs im Streifen-Wellenleiter entspricht λD Wellenlange, bei der im verbreiterten Koppeibereich des
Verbindungsaufspalters der zweite Lateralmodus Nrj2 anschwingt
λmm minimaler Wert des optischen Transmissionsbereiches eines
Substratmaterials λmax maximaler Wert des optischen Transmissionsbereiches eines
Substratmaterials λ| diskrete Wellenlange
Δλ, Δλ, Wellenlangenbereiche
Δλ y Bandbreite des Streifen-Wellenleiters Δλv Wellenlängendifferenz zwischen dem Anschwingen des
Grundmodus Noo im Streifen-Wellenleiter und dem Anschwing
des zweiten Lateralmodus Nrj2 im verbreiterten Koppeibereich
Verbindungsaufspalters Δλjsj effizient nutzbarer Wellenlängenbereich eines
Verbindungsaufspalters Δλj: Bandbreite (Spektrum) des Lichts am Wellenleiteremgang
Δλ^ Bandbreite (Spektrum) des Lichts am Wellenleiterausgang
Kjj Matrixelement, das die Kreuzungsstelle bezeichnet

Claims

Patentansprüche
1 Verbindungsaufspalter aus Streifen-Wellenleitern zur raumlichen Zusammenfuhrung oder Aufspaltung oder Schaltung oder Ablenkung oder Modulation von Licht, insbesondere für Anwendungen im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, bestehend aus mindestens drei Streifen-Wellenleitern, gekennzeichnet durch
- mindestens einen einmodigen integriert-optischen Breitband-Streifen-Wellenleiter (EOBSW), bei dem in oder auf einem flachenhaften Substratmateπal (1 ) durch ein Verfahren zur Änderung des Brechungsindex eine kaπalformige Struktur herstellbar ist oder eine kanalformige Struktur aus geeignetem Material aufbringbar ist wobei die geometrisch-stofflichen Parameter des hierdurch entstehenden Streifen-Wellenleiters in Abhängigkeit von dem zu übertragenden Wellenlängenbereich im UV-, sichtbaren und/oder IR-Gebiet so eingestellt sind, daß, bezogen auf die Wellenlange (λ), die Mindestbreite des Wellenlangenbereiches für eine einmodige Fuhrung von Licht durch die Gleichung
Δλw = 0 48 λ - 85 nm
gegeben ist (mit der Angabe von λ und Δλw in nm) wobei die Parameter Brechzahl des Substrates (n-| ), Brechzahl des Superstrates (n3) Brechzahl der Brechzahlverteilung (f(x,y)) an der Oberflache (n2), Brechzahlverteilung im wellenleitenden Bereich (nw = f(x, y)), Querschπittsform (Breite a und Tiefe t) des Streifen-Wellenleiters und seine Lage im und/oder auf dem Substrat so dimensioniert sind daß ein einmodiger Betrieb des Streifen-Wellenleiters im Wellenlängenbereich
Δλw > 0 48 - λ - 85 nm
(mit der Angabe von λ und Δλ in nm) gewährleistet ist, d h zu jeder gegebenen
Wellenlange (λ) im Bereich zwischen λa und λa+Δλw eιn und nur ein effektiver
Brechungsindex, d h der effektive Brechungsindex des Grundmodus (N0o)> zuordenbar ist und der Bereich der Einmodigkeit durch das technisch gesehen, effiziente Anschwingen des Grundmodus (Noo) bei der Wellenlange λa+Δλw einerseits und das, technisch gesehen, effiziente Anschwingen des ersten Modus in lateraler Richtung (NQI ) oder des ersten Modus in Tiefeππchtung (N-J Q) bei der Wellenlange λa andererseits bestimmt ist, wobei
Übertragung mit technisch ausreichender Effektivität heißt, daß der effektive
Brechungsindex Nerf des im Streifen-Wellenleiter geführten Modus wenigstens 5x10 über dem Brechungsindex des umgebenden Materials ns liegen muß, wobei ns den jeweils größeren Wert des Substratindex n-j bzw des Superstratindex n3 bezeichnet und der minimal mögliche Wert der nutzbaren Wellenlange (λmιn) und der maximal mögliche Wert der nutzbaren Wellenlange (λmax) durch den optischen
Transmissionsbereich der verwendeten Materialien bestimmt sind, und somit der Streifen-Wellenleiter als ein einmodiger, integriert-optischer Breitband-Streifen-
Wellenleiter (EOBSW) definiert ist, und weiterhin gekennzeichnet durch
- die Kombination und Verbindung der mindestens drei Streifen-Wellenleiter bei den die geometrisch-stofflichen Parameter der Streifen-Wellenleiter selbst und der die Streifen-Wellenleiter umgebenden Medien in Abhängigkeit von dem zu übertragend Wellenlängenbereich im UV-, sichtbaren oder IR-Gebiet so eingestellt sind daß bezogen auf die Wellenlange (λ), die Mindestbreite des Wellenlangenbereiches für eine effiziente Funktion des Verbindungsaufspalters durch die Gleichung
Δλv = 0,27 λ - 34 nm
(mit der Angabe von λ und Δλv in nm) gegeben ist wobei die Parameter Brechzahl des Substrates (π-j ), Brechzahl des Superstrates (n ) Brechzahl der Brechzahlverteilung (f(x,y)) an der Oberflache (n2), Brechzahlverteilu im wellenleitenden Bereich (nw = f(x, y)), Geometrie des Verbindungsaufspalters un seine Lage im und/oder auf dem Substrat so dimensioniert sind daß eine effiziente Funktion des Verbindungsaufspalters mindestens im Wellenlängenbereich Δλv > 0,27 x λ - 34 nm
(mit der Angabe von λ und Δλv in nm), gewährleistet ist, wobei der nutzbare
Wellenlängenbereich Δλjvj der, in technischem Sinne, effizienten Funktion des Verbindungsaufspalters durch den kleineren Wert entweder
- der Differenz zwischen der Wellenlänge λa+Δλw des, technisch gesehen,
effizienten Anschwingens des Grundmodus im Streifen-Wellenleiter (NQO) und
der Wellenlänge λa des, technisch gesehen, effizienten Anschwingens des ersten
Modus in lateraler (NQI ) oder des ersten Modus in Tiefenrichtung (N-| Q) im Streifen- Wellenleiter oder
- der Differenz zwischen der Wellenlänge λa+Δλw des, technisch gesehen,
effizienten Anschwingens des Grundmodus im Streifen-Wellenleiter (NQO) und
der Wellenlänge λ^ des, technisch gesehen, effizienten Anschwingens des zweiten Modus in lateraler Richtung im gegenüber dem Streifen-Wellenleiter verbreiterten Koppelbereich des Verbindungsaufspalters (NQ2) bestimmt wird, also
( (λa+Δλw) - λa = Δλw
ΔλN < ^ i (λa+Δλw) - λb = Δλv
ist, und somit der Verbindungsaufspalter, bestehend aus mindestens drei Streifen-Wellenleitern, darunter mindestens einem EOBSW, als integriert-optischer Breitband- Verbindungsaufspalter definiert ist. (Figuren 9, 10)
ERSATZBLÄTT REGEL 26 2 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem
- mindestens zwei Streifen-Wellenleiter (2, 3) je einen Eingang (E-j , E2) haben in die Licht einkoppelbar ist, und
- die an ihren Ausgangen (A-| und A2) in einer Koppelstelle (6) zu einem gemeinsamen Streifen-Wellenleiter zusammengeführt sind und
- der gemeinsame Streifen-Wellenleiter ein einmodiger integriert-optischer Breitband- Streifen-Wellenleiter, d h ein EOBSW (5) ist, der einen gemeinsamen nutzbaren Lichtaustritt (A|\/|) für räumlich zusammengeführtes Licht hat
(Figuren 1 ,
2, 11 , 12, 13, 14, 15)
3 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem
- mindestens ein Streifen-Wellenleiter (2) von mindestens einem weiteren Streifen-Wellenleiter (3) gekreuzt ist und die mindestens eine Kreuzungsstelle a) völlig passiv ist oder b) eine Koppelstelle (6) zur raumlichen Zusammenfuhrung von Lichtanteilen ist oder c) eine steuerbare Einheit zur raumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung (7) ist, weiterhin
- in jeden Streifen-Wellenleiter (2, 3) Licht einkoppelbar ist und
- der gemeinsame Streifen-Wellenleiter ein einmodiger integriert-optischer Breitband- Streifen-Wellenleiter, d h ein EOBSW (5) ist, der einen gemeinsamen nutzbaren Lichtaustritt (A^) für raumlich zusammengeführtes Licht hat (Figuren 3 18 19 20)
4 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 bei dem
- mindestens zwei Streifen-Wellenleiter (2, 3) je einen Eingang (E-\ , E2) haben, in den Licht einkoppelbar ist, und
- die mindestens zwei Streifen-Wellenleiter (2, 3) eine Kreuzungsstelle haben
- an der Kreuzungsstelle des Streifen-Wellenleiters (2) mit dem Streifen-Wellenleiter
(3) ein integriert-optischer Reflektor (R2) angeordnet ist, der die
Koppelstelle (6) bildet, und
- der gemeinsame Streifen-Wellenleiter ein einmodiger integriert-optischer Breitband- Streifen-Wellenleiter, d h ein EOBSW (5) ist, der einen gemeinsamen nutzbaren Lichtaustritt (A|y|) für räumlich zusammengeführtes Licht hat (Figuren 4, 16)
5 Verbindungsaufspalter nach den Ansprüchen 1 oder 2 oder 3 oder 4, bei dem alle Streifen-Wellenleiter als einmodige, integriert-optische Breitband-Streifen- Wellenleitem (EOBSW) ausgebildet sind
6 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein Streifen-Wellenleiter aus Rubιdιum<->Kalιum lonenausgetauschtem Kaliumtitanylphosphat (KTiOPθ4, KTP) besteht, bei dem die geometrisch-stofflichen Parameter so einstellbar sind, daß ein einmodiger Betrieb des Streifen-Wellenleiters im Wellenlängenbereich
Δλw > 0,48 x λ - 85 nm
(mit der Angabe von λ und Δλw in nm) gewahrleistet ist, dieser Streifen-Wellenleiter somit ein EOBSW ist wobei der minimal mögliche Wert der nutzbaren Wellenlange (λmιn etwa 350 nm) und der maximal mögliche Wert der nutzbaren Wellenlange (λmax etwa 4 μm) durch den optischen Transmissionsbereich von KT1OPO4 bestimmt sind, und insbesondere der emmodig zu übertragende Wellenlängenbereich (Δλw) des EOBSW im sichtbaren
Wellenlängenbereich des L ichts einen Wellenlängenbereich großer 350 nm umfaßt und der EOBSW somit als ein einmodiger Weißlicht-Streifen-Wellenleiter definiert ist und der mit zwei weiteren Streifen-Wellenleitern einen breitbandigen integriert-optischen
Verbindungsaufspalter bildet und insbesondere der nutzbare Wellenlängenbereich ΔλN der effizienten Funktion des
Verbindungsaufspalters im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts einen
Wellenlängenbereich großer 300 nm umfaßt und der Verbindungsaufspalter somit als ein Weißlicht-Verbindungsaufspalter definiert ist
7 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem mindestens zwei Streifen-Wellenleiter (2, 3, ...) an jedem Eingang (E-j , E2, ...) mit je einer Lichtquelle (L-| , L2, .. ) verbunden sind und jede Lichtquelle Licht einer verschiedenen Wellenlange (λ<| , λ2, •••) oder voneinander verschiedener Wellenlängenbereiche (Δλ-) , Δλ2, .. ) aussendet.
8. Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein Streifen-Wellenleiter (2, 3, . , 5) an seinem Eingang (E-j , E2, ...) ode an seinem Ausgang (A^) mit mindstens einer Lichtquelle (L-j , L2, .. ) verbunden ist u die Lichtquelle Licht mindestens einer Wellenlänge (λ-| , λ2, ) oder mindstens eine Wellenlangenbereiches (Δλ-j , Δλ2, • •) in mindestens einen Streifen-Wellenleiter aussendet.
9. Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein Streifen-Wellenleiter (2, 3, 5) mit einer Modulationseinrichtung (AM) versehen ist, welche wellenlangenabhängig oder wellenlängenunabhängig die Phas die Amplitude bzw. Intensität und/oder die Polaπsationsπchtung der Lichtanteile moduliert
10 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem
- mindestens eine der Lichtquellen (L) selbst in der Leistung modu erbar ist und/oα
- die Modulation durch Änderung der Koppeleffektivität zwischen Lichtquelle und Streifen-Wellenleiter oder
- eine Modulation durch Lichtabschwächer (z.B. Graukeil) oder
- Phasenschieber (z.B. Pockelszelle) oder
- Polaπsationsdreher in Verbindung mit einem polarisierenden Bauelement oder polarisierenden Streifen-Wellenleiter erfolgbar ist
11 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem die Koppelstelle (6), die durch die Vereinigung der Ausgange (A-j , A2) der Streifen-Wellenleiter (2, 3) entsteht, eine steuerbare Einheit zur raumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung (7) ist, mit der mindestens einer der Lichtanteile (λ<| , λ2) auf den gemeinsamen EOBSW (5) aufschaltbar und/oder modulierbar ist (Figuren 1 bis 4)
12 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem Lichtanteile mindestens zweier Wellenlangen (λ-| , λ2, ) als Lichtimpulse zeitlich nacheinander in je einen Streifen- Wellenleiter (2, 3, 4) einkoppelbar sind, in der Koppelstelle (6) raumlich zusammenfuhrbar sind, weiterhin die räumlich zusammengeführten Lichtanteile im gemeinsamen EOBSW (5) durch eine Modulationseinrichtung (Amplitudenmodulator ÄM) im Impulstakt steuerbar sind (Zeltmultiplexbetrieb) (Figur 23)
13 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 11 und Anspruch 12, bei dem die mindestens eine Koppelstelle (6) eine steuerbare Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung (7) ist, mit der die Lichtimpulse synchron modulierbar und in dem gemeinsamen EOBSW (5) zusammenfuhrbar sind
14 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 9 oder Anspruch 11 bei dem die Modulationseinrichtung (AM) und/oder die steuerbare Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung (7) auf einem der folgenden Prinzipien beruhend ist
- Modulation durch elektrische Felder, d h elektrooptische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- Modulation durch Druckwellen, d h akustooptische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- Modulation durch Warme, d h thermooptische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- Modulation durch Magnetfelder, d h magnetooptische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- Modulation durch Lichtstrahlung, d h opto-optische Modulation des Lichts mit Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur, - Modulation durch Wärmestrahlung, d h. photothermische Modulation des Lichts Hilfe einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- Modulation durch elektrische Ladungsträger, d.h. Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermatenalien in Verbindung mit einer integriert-optischen Interferometerstruktur,
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische. magnetooptische, opto-optische oder photothermische Modulation unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes,
- Modulation durch Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermatenalien unter Ausnutzung Fabry-Perot-Effektes,
- elektrooptische. akustooptische, thermooptische. magnetooptische, opto-optische oder photothermische cut-off-Modulation,
- cut-off-Modulation aufgrund der Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermatenalie
- steuerbare Wellenleiterverstärkung,
- steuerbare Polansationsdrehung in Verbindung mit einem polarisierenden Bauelement oder polarisierenden Streifen-Wellenleiter,
- Wellenleiter-Modenwandlung,
- Elektroabsorptionsmodulation oder
- Modulation unter Nutzung eines integriert-optischen Schalt- oder Verteilerelemen wie X-Koppler. Parallelstreifenkoppler, Richtkoppler oder BOA
15 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem die Vereinigung und/oder Verzweigung der Streifen-Wellenleiter nach mindestens einem der folgenden Prinzipien erfolgt
- Nutzung eines Y-Verzweigers oder
- Nutzung eines integriert-optischen Schalt- und Verteilerelementes, wie X-Koppler oder Richtkoppler oder Parallelkoppler, oder
- Nutzung einer Anordnung zur Zweimodeninterferenz im Streιfen-Wellenleιter(BO
- oder Nutzung eines integriert-optischen oder mikrooptischeπ Reflektors (Spiegel, Gitter, Prisma).
16 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem auf dem flachenhaften Substrat mindestens zwei Streifen-Wellenleiter parallel in einer Richtung verlaufen und mindestens ein weiterer Streifen-Wellenleiter in einer anderen Richtung verlauft und die Kreuzungsstellen (6) der Streifen-Wellenleiter eine Matrix bilden
17 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 16, bei dem die Matrix der Kreuzungsstellen nach folgendem Prinzip aufgebaut ist
- Entsprechend der Anzahl m der Lichtanteile mit den Wellenlangen λ,, mit i = 2 bis m, sind m Streifen-Wellenleiter (2, 3, 4) parallel gefuhrt und kreuzen einen
EOBSW (8), wobei
- die Kreuzungsstellen passive Koppelstellen (6) zur räumlichen Strahlvereinigung sind und bei Bedarf an jedem der m Streifen-Wellenleiter (2, 3, 4) ein Amplitudenmodulator (AM) angeordnet ist (Figur 19) oder
- die Kreuzungsstellen steuerbare Einheiten zur raumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung (7) darstellen (Figuren 18, 20)
18 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 16, bei dem die Matrix der Kreuzungsstellen K„ nach folgendem Prinzip aufgebaut ist
- Entsprechend der Anzahl m der Lichtanteile mit den Wellenlangen λ,, mit i = 1 bis m mit m > 2, sind m Streifen-Wellenleiter (2, 3, 4, ) zueinander parallel gefuhrt und n-1 weitere Streifen-Wellenleiter (8', 8", 8' ", ) und ein EOBSW (5) kreuzen die m Streifen-Wellenleiter und sind ebenfalls zueinander parallel gefuhrt, wobei deren Anzahl n = m+1 ist, und
- die Kreuzungsstellen K„ für i = j steuerbare Einheiten zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung (7) sind,
- die Kreuzungsstellen K„ für i = 1 bis m und j = n =m+1 passive Koppelstellen (6) und
- die übrigen Kreuzungsstellen völlig passiv sind, weiterhin
- die j = 1 bis n -1 Streifen-Wellenleiter (8', 8", 8" , ) Blindausgange sind und
- der j = m Streifen-Wellenleiter der gemeinsame EOBSW (5) für das räumlich zusammengeführte Licht ist (Figur 20)
19 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 8, bei dem ein Betrieb in aufspaltender Richtung vorgesehen ist, indem der gemeinsame EOBSW (5') mit einer Lichtquelle gekoppelt ist, die Licht der Wellenlange λg oder Licht eines spektralen Bereiches (Δλ) aussendet, der gemeinsame EOBSW (5') in eine Koppelstel (6') mundet und von der Koppelstelle (6') mindestens zwei Streifen-Wellenleiter (2, 3) ausgehen, in denen kohärentes Licht der Wellenlange λg oder des spektralen Bereich (Δλ) fuhrbar ist (Figuren 14, 15, 17, 24, 25, 26)
20 Verbindungsaufspalter nach Anspruch 1 , bei dem in mindestens einem Streifen-Wellenleiter (2, 3, 4) vor der Koppelstelle (6) zur raumlichen Lichtzusammenfuhrung ein Frequenzumsetzer (FU) auf der Basis nichthnearer optischer Effekte angeordnet ist (Figuren 30, 31 , 32)
21 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters als Anordnung zum raumlichen Zusammenführen von Licht mindestens zweier unterschiedlicher Wellenlangen (λ,) oder Wellenlangenbereiche (Δλ,) zur Erzeugung schnell veränderlic spektraler Lichtzusammensetzungen, insbesondere zur Farbmischung, in einem nutzbaren Spektralbereich großer 75 nm, bei der die mindestens zwei Lichtanteile in je einen Streifen-Wellenleiter eingekoppelt werden und aus einem gemeinsamen EOBS (5) als räumlich zusammengeführtes Licht ausgekoppelt werden (Figuren 1 bis 4 und
22 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters als Anordnung zum Aufspalten von Licht (λ,, Δλ,) in mindestens zwei Lichtanteile in einem nutzbaren Spektralbereich großer 75 nm, bei der mindestens ein Lichtanteil in einen EOBSW (5 ) eingekoppelt wird und aus mindestens zwei Streifen-Wellenleitern Lichtanteile die die gleiche spektrale Zusammensetzung und Phasenlage wie das eingekoppelte Licht haben, ausgekoppelt werden (Figuren 12, 26, 27, 28, 29, 31 , 32)
23 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters als wellenlangenselektiver oder wellenlangenunabhangiger Breitband-Schalter oder Breitband-Modulator der Amplitude bzw. Intensität von Licht mindestens einer Wellenlange oder eines Wellenlangenbereiches zur Erzeugung schnell veränderlicher Lichtintensitaten und/oder spektraler Lichtzusammensetzungen in einem nutzbaren Spektralbereich großer 75 nm, bei dem Licht in mindestens einen Streifen-Wellenleiter eingekoppelt wird und an einem gemeinsamen EOBSW (5) als räumlich zusammengeführtes moduliertes Licht ausgekoppelt wird (Figuren 1 1 , 12, 13, 18, 19, 20, 28)
24 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters nach Anspruch 23 als wellenlangenselektiver Breitband-Schalter oder Breitband-Modulator, insbesondere als steuerbarer Farbfilter, der auf der Grundlage eines der nachfolgenden Prinzipien realisiert wird
- elektrooptische Modulation,
- akustooptische Modulation,
- thermooptische Modulation,
- magnetooptische Modulation,
- opto-optische Modulation,
- photothermische Modulation,
- Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermatenalien,
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische magnetooptische, opto-optische oder photothermische Modulation unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes,
- Modulation durch Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermatenalien unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes,
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische magnetooptische, opto-optische oder photothermische cut-off-Modulation,
- cut-off-Modulation aufgrund der Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermatenalien,
- steuerbare Wellenleiterverstarkung,
- steuerbare Polansationsdrehung - Wellenleiter-Modenwandlung oder weiterhin
- Phasenschieber (z.B. Pockelszelle) oder
- Polarisationsdreher in Verbindung mit einem polarisierenden Bauelement oder mit einem polarisierenden Wellenleiter als externes Bauelement.
25. Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters nach Anspruch 23 in einer Anordnung als wellenlängenunabhängiger Breitband-Schalter oder Breitband- Modulator, bei der die Modulation auf der Grundlage eines der nachfolgenden Prinzipi realisiert wird:
- Elektroabsorptionsmodulation,
- Änderung der Koppeleffektivität Lichtquelle - Wellenleiter,
- Modulation der Lichtquelle selbst oder weiterhin
- Lichtabschwächer (z.B. Graukeil) als externes Bauelement.
26. Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters nach Anspruch 23 in einer Anordnung als Breitband-Interferometer-Anordnung, insbesondere als Breitband- Mach-Zehnder-Interferometer-Anordnung, bei der Licht einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs in einen gemeinsamen EOBSW (5') eingekoppelt und das Licht EOBSW (5') in einer Koppelstelle (6') aufgespalten und in getrennten EOBSW (2 und weitergeleitet wird, weiterhin das Licht in den EOBSW (2 und 3) in einer Koppelstelle ( räumlich zusammengeführt und am Ausgang (A^) des gemeinsamen EOBSW (5) ausgekoppelt wird, wobei im Bereich der getrennt geführten EOBSW (2, 3) durch Elektroden (10) ein elektrische Feld erzeugt wird, mit dem das Licht in mindestens einem EOBSW (2, 3) in der Phase und/oder Amplitude und/oder Polarisationsrichtung beeinflußt wird. (Figuren 12, 24, 25, 26, 27, 28, 29)
27. Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters in einer Anordnung als Meßeinrichtung für physikalische, chemische und biologische Parameter, bei der
- ein Lichtanteil in einem Streifen-Weilenleiter oder EOBSW (2, 3) oder
- das räumlich zusammengeführte Licht (M) in einem gemeinsamen EOBSW (5) oder
ERSÄTZBLÄTT (REGEL 26) - das am Ausgang (A^) des EOBSW (5) zur Verfugung stehende raumlich zusammengeführte Licht (M) oder
- die Wellenleitung in einem der Streifen-Wellenleiter oder EOBSW (2, 3) oder des EOBSW (5) durch einen Parameter beeinflußt werden und die raumlich zusammengeführten Lichtanteile (M) nach dem Ausgang (A^) des gemeinsamen EOBSW (5) photometrisch gemessen werden
28 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters nach Anspruch 27 in einer Anordnung als Entfernungsdifferenzmesser, bei der mittels eines interferometπschen Verfahrens Verschiebungen eines Meßobjektes gemessen werden (Figuren 33, 34, 35)
29 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters nach Anspruch 27 in einer photometrischen Anordnung, bei der räumlich zusammengeführte Lichtanteile mindestes zweier Wellenlangen gleichzeitig oder zeitlich nacheinander mit einem Meßmedium korrespondieren und die Lichtstarkeanderungen aufgrund der Änderung von zum Beispiel Reflexion, Transmission oder Streuung bei jeder verwendeten Wellenlange der Lichtanteile gemessen werden (Figuren 21 , 22, 29)
30 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters nach Anspruch 27 in einer Anordnung als Wellenlangensensor bei der
Licht einer unbekannten Wellenlange in den gemeinsamen EOBSW (5') eingekoppelt wird, der gemeinsame EOBSW (5') in zwei EOBSW (2 und 3) aufgespalten wird und diese EOBSW (2, 3) in einem gemeinsamen EOBSW (5) räumlich zusammengeführt werden, und somit eine integriert-optische Interferometerstruktur vorliegt und am Ausgang (AM) des gemeinsamen EOBSW (5) die Lichtintensitat gemessen wird und
Elektroden in geeigneter Weise an den oder die EOBSW (2, 3) angebracht sind und die Hohe der an die Elektroden angelegten Spannung, welche eine Änderung der Lichtleistung am Ausgang (Aj |) vom Maximum auf ein benachbartes Minimum oder umgekehrt bewirkt, ein Maß für die Wellenlange des Lichts ist (Figur 27)
ERSATZBLÄTT (REGEL 26) ob
31 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters nach Anspruch 27 in einer Anordnung als Sensor, bei der die Substratoberflache, die die Streifen-Wellenleiter od EOBSW tragt, bis auf ein Meßfenster (15) abgedeckt ist, das Meßfenster (15) den EOBSW (5) überdeckt und
- das Meßmedium (16) über das Meßfenster (15) direkt in Kontakt mit dem EOBSW (5) gebracht wird oder
- auf der Oberflache des Meßfensters (15) ein spezifisches sensitives Material aufgebracht ist, das in Kontakt mit dem Meßmedium (16) steht, und am Ausgang des gemeinsamen EOBSW (5) Parameter des Lichts gemessen werden, die spezifische Eigenschaften des Probenmediums (16) charakterisieren (Figur 22)
32 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters nach Anspruch 31 , bei dem Li mindestens zweier Wellenlangen (λ,) in dem Breitband-Verbindungsaufspalter räumlic zusammengeführt wird und der gemeinsame EOBSW (5) nur in einem Meßfenster (15 frei egt (Figur 22)
33 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters nach Anspruch 31 in einer Anordnung zur Brechungsindexbestimmung, bei der Licht mindestens zweier Wellenlangen (λ,) in dem Breitband-Verbindungsaufspalter räumlich zusammengefüh wird und dann das raumlich zusammengeführte Licht (M) einer Mach-Zehnder- Interferometer-Struktur (MZI) zugeführt wird, in deren einem Wellenleiterzweig Elektroden (10) zur Phasen-Modulation angeordnet sind und an deren anderem Wellenleiterzweig ein Meßfenster (15) angeordnet ist (Figur 29)
34 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters als wellenlangenselektiver od wellenlangenunabhangiger Breitband-Schalter oder Breitband-Modulator der Phasenlage und/oder der Polansationsrichtung von Licht mindestens einer Wellenlange (λ,) oder eines Wellenlangenbereiches (Δλ,) zur Erzeugung schnell veränderlicher Phasenlagen und/oder Polaπsationsπchtungen, in einem nutzbaren Spektralbereich großer 75 nm, bei dem Licht in mindestens einen EOBSW (2, 3) eingekoppelt wird und an einem Ausgang ( ^) des gemeinsamen EOBSW (5) als räumlich zusammengeführtes moduliertes Licht (M) ausgekoppelt wird 35 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters in einer Anordnung als Frequenzumsetzer, bei dem in mindestens einem Streifen-Wellenleiter mindestens ein Element zur Frequenzumsetzung (FU) angeordnet wird, in dem die Wellenlange des in den Streifen-Wellenleitern (2, 3) eingekoppelten Lichtanteils verändert wird und am Ausgang des gemeinsamen EOBSW (5) zusammengeführte Lichtanteile mit mindestens einer veränderten Wellenlange anliegen (Figuren 30, 31 , 32)
36 Verwendung des Breitband-Verbindungsaufspalters nach Anspruch 35, bei der Licht einer Wellenlange in einen gemeinsamen EOBSW (5') eingekoppelt wird, der gemeinsame EOBSW (5') in mindestens zwei Streifen-Wellenleiter oder EOBSW (2, 3) aufgespalten wird, in jedem Wellenleiterzweig ein Element zur Frequenzumsetzung (FU) angeordnet wird und die umgesetzten Lichtanteile raumlich zusammengeführt werden und am Ausgang (A^) des gemeinsamen EOBSW (5) anliegen
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