DK163540B - Optisk integreret boelgelederkomponent - Google Patents

Description

1 DK 163540 B

o

Opfindelsen angår en optisk integreret bølgelederkom-ponent omfattende et énkrystallegeme, som har en plan øvre flade med bølgeledere og plane parallelle endeflader, idet krystallen har spaltningsplaner langs hvilke krystalbindinger-5 ne er svagere end krystallens øvrige bindinger, så at spaltning af krystallen lettere sker langs disse spaltningsplaner, og krystallen har et største og et mindste brydningsforhold i to indbyrdes vinkelrette retninger, så at en optisk akse kan bestemmes, i hvis retning krystallens brydningsforhold 10 har en bestemt værdi uafhængigt af en indfaldende lysstråles polarisationsretning, og spaltningsplanerne har bestemt hæl-ning i forhold til den optiske akse.

Ved optisk informationsoverførsel er det væsentligt, at overføringstabene er små både i overføringssystemets forskel-15 lige dele og ved koblingen mellem disse dele. Der kendes bøl-gelederkomponenter af ovennævnte art til sådanne systemer, i hvilke énkrystallegemets orientering i forhold til krystalstrukturen er en sådan at lysets dæmpning og spredning i bølgelederne er lille. For at komponenterne også skal have små • 20 indkoblingstab er krystallegemets endeflader omhyggeligt polerede, hvilket gør komponenternes fremstilling kompliceret.

Der kendes også bølgelederkomponenter, hvor krystallegemets endeflader er spaltningsflader, hvilket giver små indkoblingstab. Disse sidstnævnte komponenter fremstilles på enkel måde, 25 men det énkrystallinske legemes orientering i forhold til krystalstrukturen er en sådan, at der sker store tab i bølgelederne. Ved mange anvendelser er disse komponenter derfor ikke anvendelige.

Ovenstående problem løses ved at énkrystallegemets 30 orientering i forhold til krystalstrukturen vælges på en sådan måde, at indkobling af lys i bølgelederne sker gennem en spaltningsflade, og komponentens plane øvre flade er orienteret på en særlig måde i forhold til den optiske akse, så at der opnås optimale optiske egenskaber. Opfindelsen er 35 ejendommelig ved det i den kendetegnende del af krav 1 angivne.

o

2 DK 163540 B

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 i perspektiv viser en optisk integreret bølge-lederkomponent, 5 fig. 2 skematisk viser krystalstrukturen for lithium- niobat, fig. 3 viser hvorledes énkrystallinske legemer ved kendte komponenter er orienteret i forhold til krystalstrukturen , 10 fig. 4 viser hvorledes et énkrystallegeme ifølge op findelsen er orienteret i forhold til krystalstrukturen, fig. 5 i perspektiv viser et krystallegeme til en bølgelederkomponent ifølge opfindelsen, og fig. 6 i tværsnit viser en endedel af en komponent 15 ifølge opfindelsen.

I fig. 1 er som eksempel på en optisk integreret bølge-lederkomponent vist en såkaldt retningskobler. En nærmere beskrivelse findes i eksempelvis IEEE Journal of Quantum Electronics, bind QE 17, nr. 6, juni 1981, Rod C. Alferness 20 "Guided-Wave Devices for Optical Communication". Et énkrystallegeme 1 af eksempelvis lithiumniobat LiNbOg eller lithium-tantalat LiTaOg har på kendt måde i sin øvre plane flade 2 lysbølgeledere 3 og 4. Disse bølgeledere har højere brydningsforhold énd krystalmaterialet, og kan fremstilles ved at 25 eksempelvis titan diffunderes ind i krystallen til en egnet dybde i et ønsket mønster. Lys ledes ind i den ene bølgeleder 3 gennem eksempelvis et linsesystem eller, således som det er vist i figuren, en optisk fiber 5. Fiberen har retning mod lysbølgelederens udmunding på krystallegemets endeflade 7 30 i lille afstand fra endefladen. Lyset spredes til en lille del af krystallen og kan føres over til den anden bølgeleder 4 langs bølgeledernes vekselvirkningsstrækning L ved at der opstår koblede svingninger mellem bølgelederne. Denne overkobling kan belt eller delvis modvirkes ved at en elektrisk spæn-35 ding påtrykkes metalelektroder 6, som er placeret på krystallens overflade langs med bølgeledernes vekselvirkningsstrækning.

3 DK 163540 B

o

Lysets fordeling mellem komponentens udgange kan altså styres på elektrisk måde.

For en lysbølge, som overføres via en lyslederkompo-nent af den art, der er beskrevet, opstår overføringstab 5 dels ved ind- og udkobling af lysbølgen ved bølgeledernes ender dels ved lysbølgens passage gennem bølgelederne. Indkoblingstabene afhænger af den optiske kvalitet af krystallens endeflader i de områder, hvor lysbølgelederne munder ud, og tabene i bølgelederne afhænger stærkt af bølgeledernes orien-10 tering i forhold til krystalstrukturen. Det er derfor væsentligt, hvorledes énkrystallegemet er orienteret i forhold til krystalstrukturen.

Fig. 2 viser skematisk strukturen af lithiumniobat henført til et retvinklet koordinatsystem med akserne x,y,z 15 i forhold til den for lithiumniobat normalt anvendte hexagona-le enhedscelle. En nærmere beskrivelse af strukturen findes i eksempelvis J. Phys. Chem. Solids, Pergamon Press 1966, bind 27, "Ferroelectric Lithium Niobate. 3. Single Crystal X-ray Diffraktion Study at 24°C", side 997-1012. Lithiumniobat er 20 dobbeltbrydende og har sit mindste brydningsforhold i z-aksens retning og sit største brydningsforhold i xy-planet uafhængigt af retningen i dette plan. En lysstråle 9 i z-aksens retning påvirkes i krystallen af det for alle polarisationsretninger i xy-rplanet konstante brydnings forhold. Brydningen 25 af en lysstråle i denne retning er altså uafhængig af lysstrålens polarisationsretning og da dette kun gælder z-aksen er denne akse éntydigt bestemt og definerer krystallens optiske akse. Lithiumniobat har spaltningsplaner langs hvilke krystalbindingerne er svagere end krystallens øvrige bindinger.

30 I figuren er med stiplede linier antydet spaltningsplaner 10, som tilhører en gruppe indbyrdes parallelle spaltningsplaner, I krystallen findes også andre grupper med spaltningsplaner, hvis orientering i det viste koordinatsystem bestemmes af krystallens symmetriegenskaber. Planerne danner en vinkel 35 a=32,75° med den optiske akse. Krystallen kan på enkel måde spaltes langs disse planer, og de herved opnåede spaltnings- o

4 DK 163540 B

flader har meget høj optisk kvalitet. Denne egenskab anvendes, som tidligere nævnt, til at fremstille integrerede bølgeleder-komponenter med små indkoblingstab.

Fig. 3 viser hvorledes énkrystallegemerne ved kendte 5 bølgelederkomponenter er orienteret i forhold til krystalstrukturen. En komponent kan have et énkrystallegeme 11 med en plan øvre flade 12, hvis normal er rettet i z-aksens retning, og endeflader 13 som er parallelle med xz-planet. Ved denne orientering er endefladerne polerede for at indkoblingstabene 10 skal være små. En komponent kan også have et énkrystallegeme 15 med en plan øvre flade 16, hvis normal er rettet i x-aksens retning, og endeflader 17 bestående af spaltningsflader. Bølgeledere på fladen 16 får ved denne orientering visse ikke ønskede optiske egenskaber såsom drejning af lysets 15 polarisationsplan og spredning af lyset i krystallen.

Fig. 4 viser hvorledes et énkrystallegeme 20 for en integreret bølgelederkomponent ifølge opfindelsen er orienteret i forhold til krystalstrukturen. Krystallegemet har endeflader 21, som omfatter spaltningsflader, og en plan øvre 20 flade 22 der er orienteret på en sådan måde at krystallens optiske akse, z-aksen, ligger i et plan, der defineres af endefladerne 21's og den øvre flade 22's normaler ril og ΪΪ2.

Fig. 5 viser énkrystallegemet 20 med bølgeledere 23 antydet på dettes øvre flade. Det af normalerne ηϊ og ΪΪ2 definerede 25 plan betegnes i figuren 24 og er antydet med stiplede linier. Dette plan indeholder ifølge ovenstående krystallens optiske akse, z-aksen, der for lithiumniobat, som nævnt, danner vinklen a=32,75° med krystallens spaltningsplan.

Ved beregning af lysudbredelsen i bølgelederne opnås 30 for en komponent ifølge opfindelsen det resultat, at en lysstråle skal indfalde under en vis vinkel i forhold til komponentens endeflade for at tabene i bølgelederne skal være mindst mulige. I fig. 6 er vist, hvorledes en lysstråle 25 . med en indfaldsvinkel rammer lyslederen 23 -Danne munder ud 35 på komponentens endeflade 21, som er vinkelret på den øvre flade 22. Af praktiske grunde er der imidlertid ofte ønske om o

5 DK 163540 B

at lysstrålen skal falde ind parallelt med komponentens øvre flade, således som det er vist i figuren med den punkterede lysstråle. Dette medfører som nævnt tab såfremt den øvre flade og endefladen er vinkelrette. Disse tab kan kompenseres ved 5 at endefladen hældes en vinkel β som antydet med punkteret linie i figuren. Por en komponent af lithiumniobat giver ^jf =4,0° de mindste tab i bølgelederne, hvis endefladen er vinkelret på den øvre flade. Hvis lysstrålen falder ind parallelt med den øvre flade giver β=3,3° de mindste tab.

10 15 20 25 30 35

Claims (2)

1. Optisk integreret bølgelederkomponent omfattende et énkrystallegeme (20), som har en plan øvre flade (22) med bølgeledere (23) og plane parallelle endeflader, idet 5 krystallen har spaltningsplaner (10) langs hvilke krystalbindingerne er svagere end krystallens øvrige bindinger, så at spaltning af krystallen lettere sker langs disse spaltningsplaner, og krystallen har et største og et mindste brydningsforhold i to indbyrdes vinkelrette retninger, så at en optisk 10 akse kan bestemmes, i hvis retning krystallens brydningsforhold har en bestemt værdi uafhængigt af en indfaldende lysstråles polarisationsretning og spaltningsplanerne har bestemt hældning (a) i forhold til den optiske akse, kendetegnet ved, at endefladerne (21) omfatter spalt-15 ningsplaner (10) til på kendt måde at opnå små tab ved lysindkobling i bølgelederne (23) og den plane øvre flade (22) er orienteret på en sådan måde i forhold til krystalstrukturen at krystallens optiske akse ligger i et plan (24), som defineres af den plane øvre flades og endefladernes 20 normaler (η2,ϊϊϊ) således at der opnås gunstig bølgeudbredelse i bølgelederne.

2. Bølgelederkomponent ifølge krav 1, kendetegnet ved, at vinklen mellem den plane øvre flade (22) og endefladerne (21) afviger fra en ret vinkel med en 25 vinkel (f3) på højst 10°, som er den optimale indfaldsvinkel for det pågældende krystalmateriale, så at lysets indfaldsretning bliver parallel med den plane øvre flade (22). 30 35