WO1988009917A1 - Procede de modulation optique et de mesure - Google Patents

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    • G02F2201/30—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 grating
    • G02F2201/307—Reflective grating, i.e. Bragg grating

Definitions

  • Grating decouplers which are used to decouple a guided wave from the waveguide, whereby the decoupled wave can also be focused by an outcoupler with curved grating lines and with a non-constant grating period.
  • a reciprocal task to the above is to create an optical measuring method that allows very small mechanical displacements to be measured with a resolution in the nm (nanometer) and sub-nm range, and thus also to determine the forces causing these displacements, in particular mechanical forces or pneumatic and hydrostatic pressures, or accelerations, or sound and ultrasonic waves, or forces generated electrostatically, electromagnetically or piezoelectrically, and thus also the electrical currents, voltages or temperature changes that cause them.
  • the invention achieves the objects by a method according to the features of claim 1 and a device according to the features of claim 19.
  • the space between the phase-shifting element and the waveguide must be filled with a medium with a mean refractive index n ⁇ N, which absorbs little or no absorption at the wavelength ⁇ used, preferably with air or another gas, or with a compressible or deformable medium from the space Material that can be pushed out laterally exist, or else be evacuated.
  • a medium with a mean refractive index n ⁇ N which absorbs little or no absorption at the wavelength ⁇ used, preferably with air or another gas, or with a compressible or deformable medium from the space Material that can be pushed out laterally exist, or else be evacuated.
  • silicon wafers with grown SiO 2 layers can be used as protective layers with a lower refractive index than cheap substrate material, on which layers with CVD processes, for example higher refractive indices, preferably made of Si 3 N., can be generated as a waveguide.
  • layers with CVD processes for example higher refractive indices, preferably made of Si 3 N.
  • Other inexpensive materials for substrates can be glasses, in or on which the waveguides are doped with ions, for example Tl or Ag ions, or by applying glass-like layers by vapor deposition or sputtering, or with a dipping process ( Sol-gel process).
  • Plastics can also be used as materials for substrates, waveguides, separating and protective layers and for phase-shifting elements.
  • fiber optics mainly glass fibers but also plastic fibers are used as cylindrical optical waveguides. They consist of a core with a higher refractive index n ⁇ and a cladding with a lower refractive index n M ⁇ n ⁇ «
  • the guided optical wave is guided in the core - similar to the integrated optics in planar or strip waveguides.
  • the electromagnetic field of the guided wave extends into the cladding in the form of a transversely damped wave with a field strength that decreases exponentially with increasing distance from the core.
  • the thickness of the jacket is selected to be many times greater than the depth of penetration ⁇ z M of the transversely damped field in the jacket in order to prevent undesired external influences on the guided wave.
  • FIG. 1 a schematic longitudinal section through the
  • FIG. 6 shows a schematic representation in longitudinal section of a device according to the invention with a phase-shifting element in the interior of a Fabry-Perot resonator
  • the substrate 2 can be made of Si, the waveguide 1 made of Si 3 N 4 , and the separating layer 7, protective layer 10 and the phase-shifting element 5 made of SiO_.
  • the distance d between the waveguide 1 'and the phase-shifting element 5 changes with the magnitude of the force 6.
  • FIG. 2 is thus the schematic representation of a device according to the invention which, on the one hand, as the one according to FIG and thus the force 6 can be used.
  • Waveguide 1b as a guided wave Tb.
  • the wave 3e can be switched to the output 1a, or in other words, the directional coupler is a 2x2 switching matrix that changes from the cross state to the Parallel state can be switched.
  • the mode of operation of the directional coupler has been described in detail in the literature for electro-optically effected changes in the effective refractive indices; see e.g. BRG Hunsperger, "Integrated Optics: Theory and Technology", Chaps. 7 and 8, Springer Verlag, Berlin, 1982 and the literature cited there.
  • the method according to the invention is shown schematically in FIG. 6 with a resonator as an integrated optical circuit.
  • a phase shifting element 5 is at a distance d opposite the section 1 'of the length L of the waveguide 1 in the interior of an integrated optical resonator.
  • the resonator is shown as a Fabry-Perot interferometer or resonator of length L with gratings 8 as partially transparent mirrors.
  • the resonance frequencies of the resonator are at the same time the frequencies for which the transmission capacity of the interferometer is maximum; let them be denoted by v R and the associated resonance wavelengths by ⁇ _.
  • the method according to the invention is shown schematically in FIG. 11 with an X switch as an integrated optical circuit.
  • the X switch consists of two themselves
  • the force 6 is, for example, an electrostatic attraction or repulsion force between the on the substrate 2 or on the Tongue 14 attached electrodes 17 to which a voltage difference is applied.
  • the force 6 can also be a mechanically generated force exerted on the tongue 14, or the inertia or acceleration force which acts on the tongue 14 with the phase-shifting element 5 when the entire device according to the invention is accelerated.
  • the layer 15 is preferably made of a metal, for example Al or Au, to increase the inertial mass.
  • the force 6 can also be generated by a temperature change via the thermal expansion of individual or all components from the group of waveguide 1, substrate 2, phase-shifting element 5 and its attachment 12, 16 to waveguide 1 or substrate 2.
  • the layer 15 applied to the tongue 14 can have a different coefficient of expansion than the tongue 14, which in the event of a temperature change leads to a bending of the tongue 14 and thus to a change in distance ⁇ d.
  • the tongue 14 can be made of SiO_ and the layer 15 of a metal layer, for example.
  • the temperature change can be generated, for example, by incident light or infrared radiation, which is absorbed in the layer 15, the tongue 14 or the phase-shifting element 5, in the waveguide section 1 'or substrate 2, or by partial absorption of the guided Wave 3 in the waveguide section 1 ′ or in the phase-shifting element 5. In the latter case, the behavior of the device according to the invention becomes non-linear, ie dependent on the power of the guided wave 3.
  • the force 6 can also be generated piezoelectrically, for example the layer 15 can be piezoelectric and change its length by applying a voltage, as a result of which the tongue 14 bends and thus the distance d is changed.
  • the device according to the invention differs from the device shown in FIG. 13 in that the recess serving as the intermediate space 4 is provided in the waveguide 1 'itself, namely at the interface with the protective layer 10. A region of the protective layer 10 directly adjoining the intermediate space 4 acts as a phase-shifting element 5.
  • the transversely attenuated field of the guided wave 3 can pass through the gap 4 with the phase-shifting one placed at a distance d from the fiber Element 5 interact.
  • the effective refractive index N of the wave 3 guided in section 1 'of the fiber waveguide, ie in the fiber core 21, and thus its phase is changed, completely analogous to the method according to the invention with a planar or strip waveguide.
  • the fiber is inserted into a groove or groove 23 of a substrate 2, the substrate preferably being a silicon wafer in which the groove or groove 23 was produced by etching.
  • the phase-shifting element 5 is fastened to the substrate 2 with a fastening 16 and bridge 19.
  • the method according to the invention is particularly suitable, for example, for the following applications:

Description

Optisches odulations- und Mess-Verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches mikro-mechanisches Verfahren zur Phasenänderung geführter Wellen und Mess-Verfahren für sehr kleine mechanische Ver¬ schiebungen, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Anwendungen dieses Verfahrens zur Phasen- und/oder Intensitäts-Modulation, und/oder zum Schalten, und/oder zur Ablenkung, und/oder Fokussierung optischer Wellen, und/oder zur Aenderung der Resonanzfrequenzen von Preguenzfiltern für geführte optische Wellen, und/oder zur Aenderung der Emissionsfrecjuenzen integriert-optischer Laser und zur Mes¬ sung von mechanischen Kräften, oder pneumatischen oder hydro¬ statischen Drücken, einschliesslich der Drücke von Schall- und Ultraschall-Wellen, und/oder von Beschleunigungen, und/ oder von elektrischen Spannungen oder Strömen, und/oder von Temperatur-Aenderungen.
Optische Wellenleiter haben einerseits die Form von Faser-Wellenleitern. Andererseits sind sie die Grundelemente der integrierten Optik, wobei sie als planare Wellenleiter oder als Streifenwellenleiter vorliegen, welche auf einem Substrat oder dicht unterhalb von dessen Oberfläche ange¬ bracht sind. Die Wellenleiter haben eine höhere Brechzahl als das Substrat oder das Superstrat mit dem sie bedeckt sind. Daher ist die Führung optischer Wellen im Wellenleiter durch Totalreflexion möglich. Weitere integriert-optische Elemente sind insbesondere y-Verzweigungen, Strahlteiler und Linsen für geführte Wellen, ferner als Ein- oder Aus-Koppler oder als Bragg-Reflektoren dienende Gitter. Als Gitter werden insbesondere Reliefgitter verwendet, die an der Grenzfläche zwischen Substrat und Wellenleiter oder an der Oberfläche des Wellenleiters bzw. falls dieser mit einem Superstrat bedeckt ist, an der Grenzfläche zwischen Wellenleiter und Superstrat angebracht sind. Mit solchen integriert-optischen Elementen werden integriert-optische Schaltungen aufgebaut. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik sind insbesondere folgende integriert-optische Schaltungen be¬ kannt, die in der vorliegenden Erfindung mitverwendet werden: Richtkoppler, welche aus zwei Streifenwellenleitern bestehen die in einem mehrere mm langen Koppelbereich einen sehr kleinen Abstand voneinander haben, und welche z.B. zum Schalten von optischen Wellen zwischen zwei verschiedenen Ausgängen und als Intensitäts-Modulatoren benutzt werden; X-Schalter, bei denen zwei Streifenwellenleiter sich unter einem sehr kleinen Winkel überkreuzen und welche zum Schalten von optischen Wellen zwischen den beiden Ausgangs-Wellen¬ leitern benutzt werden;
Zweistrahl-Interferometer, insbesondere Mach-Zehnder- und Michelson-Interferometer, die z.B. zur Intensit ts-Modulation optischer Wellen benutzt werden;
Resonatoren, insbesondere Fabry-Perot-, Ring- und "DFB"-(d.h. distributed feedback)-Resonatoren, welche z.B. als Frequenzfilter und als Laser-Resonatoren verwendet werden; Bragg-Reflektoren, die z. B. als frequenz-selektive Reflektoren und Deflektoren und zur Moden-Konversion zwischen Moden verschiedener Polarisation und/oder Modenzahl dienen; Gitter-Einkoppler, die zum Einkoppeln einer optischen Welle, in einen Wellenleiter dienen;
Gitter-Auskoppler, die zum Auskoppeln einer geführten Welle aus dem Wellenleiter dienen, wobei die ausgekoppelte Welle von einem Auskoppler mit gekrümmten Gitterlinien und mit nicht konstanter Gitter-Periode auch fokussiert werden kann.
Mit solchen integriert-optischen Schaltungen werden aktive integriert-optische Bauelemente, welche zeitabhängige Funktionen (Operationen) ausführen können, insbesondere Phasen- und Intensitäts-Modulation, Ein- und Aus-schalten oder Schalten zwischen verschiedenen Ausgängen, und Ablenkung geführter optischer Wellen, Abstimmung der Resonanzfrequenzen von Frequenz-Filtern oder der Frequenz für welche das Bragg' sehe Reflexionsgesetz an einem Gitter erfüllt ist, und Abstimmung der Resonanzfrequenzen von Resonatoren, nach dem Stand der Technik durch Ausnutzung des elektro-optischen oder seltener des photo-elastischen oder des magneto-optischen Effekts im Wellenleiter-Material selbst oder in den an diesen angrenzenden Bereichen von Substrat oder Superstrat realisiert. Der lineare elektro-optische Effekt tritt nur in Kristallen nicht aber in isotropen Materialien auf. Dieses physikalische Gesetz wirkt sich beim gegenwärtigen Stand der Technik dadurch nachteilig aus, dass die Material-Auswahl für aktive integriert-optische Bauelemente stark eingeschränkt wird. Gegenwärtig finden vorwiegend LiNbO^-Kristalle und III-V Halbleiter-Materialien Verwendung. Da für die Glasfaser Kommunikationstechnik aber billige integriert-optische Schal¬ tungen in grossen Stückzahlen benötigt werden, wäre der Ein¬ satz auch anderer und billigerer Materialien sehr erwünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein opti¬ sches mikro-mechanisches Verfahren zur Phasenänderung geführter Wellen zu schaffen, welches nicht von elektro- optischen, magneto-optischen oder photo-elastischen Material¬ eigenschaften Gebrauch macht, sondern eine mikro-mechanische Bewegung oder Deformation ausnutzt, und Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, zu deren fabrikatorischer Herstellung eine wesentlich grössere Auswahl von- Materialien zur Verfügung steht, da diese nicht die oben erwähnten Materialeigenschaften aufzuweisen brauchen.
Eine zur obigen reziproke Aufgabe besteht darin, ein optisches Mess-Verfahren zu schaffen, das es erlaubt sehr kleine mechanische Verschiebungen mit einer Auflösung im nm (Nanometer) und Sub-nm Bereich zu messen, und somit auch die diese Verschiebungen bewirkenden Kräfte zu bestimmen, ins¬ besondere mechanische Kräfte oder pneumatische und hydro¬ statische Drücke, oder Beschleunigungen, oder Schall- und Ultraschall-Wellen, oder elektrostatisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch erzeugte Kräfte, und somit auch die diese verursachenden elektrischen Ströme, Spannungen oder Temperaturänderungen. Die Erfindung löst die Aufgaben durch ein Verfahren gemäss den Merkmalen des Anspruches 1 und einer Vorrichtung gemäss den Merkmalen des Anspruches 19.
Der Grundgedanke des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, die effektive Brechzahl N der in einem Wellenleiter geführten Welle und somit ihre Phase dadurch zu verändern, dass der Abstand zwischen dem Wellenleiter und einem diesem gegenüber angebrachten phasenschiebenden Element variiert wird, beispielsweise durch Einwirken einer Kraft oder durch thermische bewirkte Ausdehnung oder Deformation. Das phasenschiebende Element dessen Aufbau weiter unten im Detail beschrieben wird, uss in einem so kleinen Abstand d vom Wellenleiter angebracht werden, dass die im Wellenleiter geführte Welle über ihr mit zunehmender Entfernung vom Wellenleiter exponentiell abfallendes quergedampftes Feld mit dem phasenschiebenden Element in Wechselwirkung tritt; vorzugsweise muss der Abstand d weniger als eine bis maximal vier Eindringtiefen Δz betragen, wobei ΔZ weiter unten definiert wird. Da die Phasengeschwindigkeit v einer geführ¬ ten Welle über die Beziehung vp=c/N - in welcher c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist - mit der effektiven Brechzahl N zusammenhängt, bewirkt eine Variation des Abstandes d eine Aenderung der Phasengeschwindigkeit vp. Die Aenderungen der effektiven Brechzahl N treten nur in jenem Abschnitt des Wellenleiters auf dem gegenüber das phasen¬ schiebende Element angebracht ist.
Die Wirkung des phasenschiebenden Elementes auf die effektive Brechzahl N hat folgenden Grund: Das elektro¬ magnetische Feld der im Wellenleiter geführten Welle reicht als sogenannte quergedämpfte oder evaneszente Welle mit einer mit zunehmender Entfernung vom Wellenleiter exponentiell abfallenden Feldstärke in den Zwischenraum zwischen Wellen¬ leiter und phasenschiebenden Element hinaus. Der Zwischenraum ist mit einem bei der benutzten Lichtwellenlänge λ nicht licht-absorbierenden Medium gefüllt, dessen Brechzahl n klei- ner als die effektive Brechzahl N ist (n<N). Die Eindring¬ tiefe Δz des quergedämpften Feldes in den Zwischenraum ist Δz=(λ/2π) (N2-n2)~1^2.Ist z.B. n=1 und N≥1.5 so ist Δz≤0,14 λ, d.h. wesentlich kleiner als die Lichtwellenlänge λ. Nur wenn die Brechzahl-Differenz N-n sehr klein wird kann Δz grösser als λ werden; z.B. ist für N*1,5 und N-n≥0,005, die Eindring¬ tiefe ΔZ≤1,3 λ. Befindet sich das phasenschiebende Element in einem Abstand d vom Wellenleiter der kleiner ist als etwa ein bis vier Eindringtiefen Δz ist, so dringt das quergedämpfte Feld in das phasenschiebende Element oder mindestens in dessen dem Wellenleiter zugewandte oberflächen-nahe Schichten ein. Diese Wechselwirkung des quergedämpften Feldes mit dem phasenschiebenden Element bewirkt, dass die effektive Brech¬ zahl N der im Wellenleiter geführten Welle vom Abstand d abhängig wird, üeberraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Aenderung der effektiven Brechzahl N bei einer Aenderung von d sehr gross ist, sodass Abstandsänderungen Δd von eini¬ gen nm (Nanometern) oder sogar von Bruchteilen eines nm für integriert-optische Modulationsverfahren ausreichend grosse
_3 effektive Brechzahländerungen bewirken, z. B. ΔN=1 -10
Das phasenschiebende Element bzw. dessen oberste dem Wellenleiter zugewandte Schicht oder Schichten bestehen aus einer der drei folgenden Materialgruppen: 1 ) bei der verwendeten Wellenlänge λ absorptionsfreien oder absorptionsarmen dielektrischen Materialien beispielsweise SiO^, Glas oder Kunststoffe, deren Brechzahlen nE kleiner als die effektive Brechzahl N der geführten Welle sind,
2) einer oder mehreren absorptionsfreien oder absorptionsarmen dielektrischer Schichten von denen mindestens eine eine Brechzahl n„>N besitzt, wobei diese Schichten auch einen Wellenleiter bilden können, oder
3) einem absorbierenden Material, vorzugsweise einer Metallschicht beispielsweise aus AI oder Ag.
Im Fall 1 ) bewirkt das phasenschiebende Element nur eine Aenderung der effektiven Brechzahl N aber keine Abschwächung der geführten Welle durch Absorption oder Abstrahlung. In den Fällen 2) und 3) kann neben einer grossen Aenderung der effektiven Brechzahl N eine Abschwächung der geführten Welle durch Abstrahlung und/oder Absorption auftreten.
Die Phasenänderung Δ§ welche eine geführte Welle in einem Wellenleiter-Abschnitt gegenüber einem phasen¬ schiebenden Element der Länge L erfährt ist
Figure imgf000008_0001
Bei kleinen Abstandsände ungen Δd ist ΔN zu Δd proportional, d.h. es ist ΔN=SΔd, wobei S=ΔN/Δd eine Konstante ist. Bei einer
Figure imgf000008_0002
Abstandsänderungen von Δd=1 nm bzw. von Δd=2 Ä erreicht.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann in an sich bekannten integriert-optischen Schaltungen wie Interfero- metern zur Intensitäts-Modulation optischer Wellen, in Rieht- Kopplern, Mach-Zehnder-Interferometern und X-Schaltern zum Schalten geführter Wellen zwischen verschiedenen Ausgangs- Wellenleitern, in Resonatoren und Bragg-Reflektoren zur Aenderung der Resonanz- und Durchlass-Frequenzen, in Gitter- Einkopplern zur Aenderung des Einkoppelwirkungsgrades, in Gitter-Auskopplern zur Aenderung des Auskoppel-Winkels und der Fokussierung der ausgekoppelten Welle, und in planaren Wellenleitern zur .Ablenkung und Fokussierung geführter Wellen angewendet werden. Mit dem erfindungsgemässen Verfahrens kön¬ nen alle nach dem Stand der Technik bekannten Operationen zum Modulieren, Schalten und Ablenken optischer Wellen mit den gleichen an sich bekannten integriert-optischen Schaltungen realisiert werden, ohne dass elektro-optische, magneto- optische oder photo-elastische Effekte benutzt werden müssen. Der Grund dafür ist folgender: Die Wirkungsweise der nach dem Stand der Technik bekannten integriert-optischen Schaltungen kann so verstanden werden, dass es nur. auf effektive Brech¬ zahländerungen oder Phasenänderungen der in diesen Schaltun¬ gen geführten Wellen ankommt, nicht aber darauf, durch wel¬ chen physikalischen Effekt diese Brechzahländerungen erzeugt werden. Daher haben diese Schaltungen dieselbe Funktion wenn bei dem erfindungsgemässen Verfahren die für ihren Betrieb notwendigen effektiven Brechzahländerungen nicht durch den elektro-optischen Effekt sondern durch die Aenderung des Abstands d zwischen einem oder mehreren phasenschiebenden Elementen und den diesen gegenüberliegenden Wellenleiter- Abschnitten erzeugt werden.
Der zur Erzeugung der effektiven Brechzahl- Aenderung ΔN und Phasenänderung Δ§ ausgenutzte Effekt ist eine mikro-mechanische Relativ-Bewegung zwischen Wellenleiter und phasenschiebendem Element, wobei die Verschiebungen sehr klein sind und im nm oder sub-nm Bereich liegen können. Um bei dem erfindungsgemässen Verfahren grosse Empfindlichkeiten S=ΔN/Δd zu erreichen, d.h. mit kleinen Abstandsänderungen Δd arbeiten zu können, muss der Abstand d zwischen phasen¬ schiebendem Element und Wellenleiter kleiner als vier Eindringtiefen Δz sein; sehr kleine Abstände d im Bereich von wenigen nm bis etwa einer Eindringtiefe Δz ergeben sehr grosse Empfindlichkeiten. Der Zwischenraum zwischen phasen¬ schiebendem Element und dem Wellenleiter muss mit einem bei der benutzten Wellenlänge λ nicht oder wenig absorbierenden Medium mit einer mittleren Brechzahl n<N gefüllt sein, vorzugsweise mit Luft oder einem anderen Gas, oder mit einem komprimierbaren oder deformierbaren aus dem Zwischenraum seitlich herausschiebbaren Material bestehen, oder aber evakuiert sein.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden einerseits durch bekannte Kräfte oder durch bekannte Temperaturänderungen über thermisch bewirkte Ausdehnung oder Deformation bekannte Abstandsänderungen Δd und damit gewünschte Phasenänderungen ΔΦ einer geführten optischen Welle erzeugt, wobei die Phasenänderung ΔΦ direkt als Phasen- Modulation ausgenutzt wird, oder in einer integriert¬ optischen Schaltung eine Intensitäts-Modulation, und/oder Ablenkung, und/oder Ein-/Aus-Schalten oder Schalten zwischen verschiedenen Ausgängen, und/oder Frequenz-Aenderung von optischen Wellen bewirkt, oder andererseits werden - in reziproker Weise - aus den Phasen-, Intensitats- oder Frequenz-Aenderungen einer optischen Welle die unbekannten zu messenden Abstandsänderungen Δd bestimmt, d.h. sehr kleine mechanische Verschiebungen mit einer Auflösung im nm bis Sub-nm Bereich, und daraus die die Abstandsänderung bewirkenden Kräfte, insbesondere mechanische Kräfte oder pneumatische oder hydrostatische Drücke, einschliesslich der Drücke von Schall- und Ultraschall¬ wellen, oder elektrische Spannungen und Ströme, oder Temperaturänderungen nachgewiesen oder bestimmt.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs¬ gemässen Verfahrens umfasst einen Wellenleiter, oder eine integriert-optische oder faser-optische Schaltung die mindestens einen Wellenleiter enthält, und mindestens ein phasenschiebendes Element, das gegenüber einem Abschnitt eines Wellenleiters in einem Abstand d, der so klein ist dass die im Wellenleiter geführte Welle über ihr quergedämpftes Feld mit dem phasenschiebenden Element in Wechselwirkung tritt, und der vorzugsweise kleiner als vier Eindringtiefen Δz ist, aber mindestens so gross wie die erforderliche Abstandsänderung Δd ist, so angebracht wird, dass sehr kleine Abstands-Aenderungen Δd im Bereich von Bruchteilen von nm bis einige 10 nm oder bis Bruchteilen einer Eindringtiefe ΔZ durch äussere Kräfte bewirkt werden können. Die Kräfte sind insbesondere mechanische Kräfte und pneumatische oder hydro¬ statische Drücke, die periodischen Druckänderungen in Schall- und Ultraschallwellen, Beschleunigungs-Kräfte, piezo¬ elektrische, elektrostatische, elektromagnetische Kräfte, durch Tempera uränderungen über thermische Ausdehnung oder Deformation oder Verbiegung erzeugte Kräfte, und die durch akustische Oberflächenwellen erzeugten Kräfte.
Bei der fabrikatorischen Herstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung können Silizium-Wafer mit aufgewachsenen SiO--Schichten als Schutzschichten mit niedrigerer Brechzahl als billiges Substrat-Material verwen¬ det werden, auf denen z.B. mit CVD-Verfahren Schichten mit höheren Brechzahlen, vorzugsweise aus Si3N., als Wellenleiter erzeugt werden. Als weitere billige Materialien für Substrate können Gläser verwendet werden, in bzw. auf denen die Wellen¬ leiter durch Dotieren mit Ionen beispielsweise Tl- oder Ag- Ionen, oder durch Aufbringen von glasartigen Schichten durch Aufdampfen oder Sputtern, oder mit einem Tauch-Verfahren (Sol-Gel-Prozess) erzeugt werden. Auch Kunststoffe können als Materialien für Substrate, Wellenleiter, Trenn- und Schutz¬ schichten und für phasensσhiebende Elemente verwendet werden.
Zur fabrikatorischen Herstellung der erfindungs¬ gemässen Vorrichtung, welche sowohl Wellenleiter und inte¬ griert-optischen Schaltungen sowie phasenschiebende Elemente umfasst, in grossen Stückzahlen, eignet sich insbesondere die Silizium-Technologie, welche u.a. Photolithographie, Beschichtungsverfahren und chemische und Trocken-Aetz-Ver¬ fahren benutzt. Mit dieser Technologie ist nicht nur die Her¬ stellung von planaren Strukturen möglich, sondern auch von hoch-präzisen, sehr zuverlässigen dreidimensionalen mikro¬ mechanischen Bauelementen (siehe z.B. K. Petersen, "Silicon as a Mechanical Material",Proc. IEEE, Vol. 70, No.5, pp 420- 457 (1982)). Diese Silizium-Technologie eignet sich somit nicht nur zur Herstellung der Wellenleiter und integriert¬ optischen Schaltungen sondern insbesondere auch der in sehr kleinem Abstand gegenüber einem Abschnitt eines Wellenleiters angebrachte phasenschiebenden Elementen, welche auch als mikro-mechanische Bauelemente bezeichnet werden können. Diese so hergestellten Bauelemente haben sehr kleine Abmessungen und geringe Massen, sodass die sehr kleinen Abstandsänderun¬ gen Δd mit kleinen Kräften und/oder sehr schnell im μs bis ns Bereich bewirkt werden können.
Die Silizium-Technologie besitzt sehr grosse. Vor¬ teile: Es können nicht nur integrierte elektronische Schal¬ tungen, sondern auch lichtempfindliche Detektoren, und passive optische Wellenleiter und integriert-optische Schaltungen, d.h. passive integriert-optische Bauelemente, auf einem Chip integriert werden. Da die herkömmlich verwendeten Materialien keine elektro-optischen Eigenschaften haben, hat die Silizium-Technologie nach dem Stand der Technik aber den Nachteil, dass keine aktiven integriert¬ optischen Bauelemente wie Modulatoren und Schalter hergestellt werden können. Den letztgenannten Nachteil hilft die vorliegende Erfindung zu überwinden.
In der Faser-Optik werden vorwiegend Glasfasern aber auch Kunststoff-Fasern als zylindrische optische Wellenleiter verwendet. Sie bestehen aus einem Kern mit höherer Brechzahl nκ und einem Mantel mit niedrigerer Brechzahl nM<nκ« Die geführte optische Welle wird im Kern geführt- ähnlich wie in der integrierten Optik im planaren oder Streifenwellenleiter. Das elektromagnetische Feld der geführten Welle reicht in der Form einer quergedämpften Welle mit einer mit zunehmendem Abstand vom Kern exponentiell abfallender Feldstärke in den Mantel hinaus. Die Dicke des Mantels wird um ein Vielfaches grδsser als die Eindringtiefe ΔzM des quergedämpften Feldes in den Mantel gewählt, um eine unerwünschte Beeinflussung der geführten Welle von aussen zu verhindern. Wird in einem Wellenleiter-Abschnitt der Länge L der Mantel auf einer Seite des Wellenleiters entweder vollständig oder teilweise bis auf eine Dicke von weniger als einigen Eindringtiefen Δz„ ent¬ fernt, so reicht das quergedämpfte Feld aus dem Kern durch den Rest des Mantels nach aussen hinaus. Die Entfernung des Mantels ist nach dem gegenwärtigen Stand der Technik bei¬ spielsweise bei Glas-Fasern durch Polieren realisierbar. Mit Faser-Wellenleitern können nach dem gegenwärtigen Stand der Technik passive faser-optische Schaltungen aufgebaut werden, beispielsweise Mach-Zehnder-, Michelson- und Sagnac-Inter- ferometer, oder Fabry-Perot- und Ring-Resonatoren. Die Wirkungsweise dieser faser-optischen Schaltungen ist zu jener der entsprechenden integriert-optischen Schaltungen analog. Diese faser-optischen Schaltungen werden beispielsweise in der faser-optischen Sensor-Technik angewendet.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird das phasen¬ schiebende Element gegenüber einem Teil der Faser angeordnet an welchem der Mantel ganz oder teilweise entfernt wurde. Dann reicht das quergedämpfte Feld der im Faser-Kern geführten Welle in den Zwischenraum zwischen Faser und phasenschiebenden Element hinaus und tritt mit dem phasenschiebenden Element in Wechselwirkung. Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Verfahrens ist für Faser-Wellenleiter und Streifenwellenleiter prinzipiell dieselbe. Somit können beim erfindungsgemässen Verfahren zur Phasenänderung geführter Wellen und Mess-Verfahren für sehr kleine mechanische Verschiebungen auch Faser-Wellenleiter benutzt werden. Das erfindungsgemasse Verfahren kann deshalb nicht nur in integriert-optischen sondern auch in faser¬ optischen Schaltungen angewendet werden, beispielsweise kann es in einem Interferometer, wie dem Mach-Zehnder-Interfero- meter, zur Intensitäts-Modulation und zum Schalten geführter Wellen zwischen verschiedenen Ausgangs-Wellenleitern angewendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 einen schematischen Längsschnitt durch die
Grundelemente der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem phasenschiebenden Element über einem Abschnitt eines Wellenleiters, Fig.2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemasse Vorrichtung mit einem phasenschiebenden Element unter einem Abschnitt eines
Wellenleiters, Fig.3 eine schematische Darstellung in Aufsicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem phasenschiebenden Element in einem Arm eines Mach-
Zehnder-Interferometers, Fig.4 eine schematische Darstellung in Aufsicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem Richtkoppler und einem phasenschiebenden Element im Bereich der
Koppelstelle, Fig.5 eine schematische Darstellung in Aufsicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem phasenschiebenden Element über einem als Bragg- Reflektor dienenden Gitter,
Fig.6 eine schematische Darstellung im Längsschnitt einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem phasenschiebenden Element im Inneren eines Fabry- Perot-Resonators,
Fig.7 eine schematische Darstellung im Längsschnitt einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem phasenschiebenden Element über einem als Einkoppler dienenden Gitter,
Fig.8 eine schematische Darstellung im Längsschnitt einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem phasenschiebenden Element über einem als Auskoppler dienenden Gitter,
Fig.9 eine schematische Darstellung in Aufsicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem phasenschiebenden Element mit einem keilförmigen Spalt über einem planaren Wellenleiter zur Ablenkung einer geführten Welle,
Fig.10 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem fokussierenden Auskoppelgitter und einem phasenschiebenden Element zur Ablenkung des ausgekoppelten Strahls,
Fig.11 eine schematische Darstellung in Aufsicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem phasen¬ schiebendem Element gegenüber einem Kreuz-Schalter,
Fig.12 eine schematische Darstellung einer erfindungs¬ gemässen Vorrichtung im Querschnitt mit einem an einer Zunge befestigten phasenschiebenden Element,
Fig.13 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung im Längschnitt mit einem phasenschiebenden Element und einem Wellenleiter mit Schutzschicht und einer Aussparung in derselben,
Fig.14 eine schematische Darstellung einer erfindungs¬ gemässen Vorrichtung im Längschnitt mit einem phasen¬ schiebenden Element und einem Wellenleiter mit Schutzschicht und einer Aussparung im Wellenleiter selbst,
Fig.15 eine schematische Darstellung einer erfindungs¬ gemässen Vorrichtung im Längschnitt mit einer Aussparung im Inneren des Wellenleiters,
Fig.16 eine schematische Darstellung einer erfindungs¬ gemässen Vorrichtung mit einem phasenschiebenden Element und einem piezoelektrischen Element zur Abstandsänderung,
Fig.17 eine schematische Darstellung einer erfindungs¬ gemässen Vorrichtung im Querschnitt mit einem phasenschiebenden Element über einem Faser- Wellenleiter,
Fig.18 eine schematische Darstellung einer erfindungs¬ gemässen Vorrichtung in Aufsicht mit einem phasenschiebenden Element in einem Arm eines faser¬ optischen Mach-Zehnder-Interferometers,
Fig.19 eine schematische Darstellung einer erfindungs¬ gemässen Vorrichtung im Querschnitt mit einem Faser- Wellenleiter und einer Aussparung in demselben.
Fig. 1 zeigt die Grundelemente der Erfindung in schematischer Darstellung. Ueber einem Abschnitt 1 ' der Länge L eines Wellenleiters 1 auf einem Substrat 2 ist ein phasenschiebendes Element 5 angebracht. Die Befestigung des phasenschiebenden Elements 5 am Wellenleiter 1 oder Substrat 2 ist nicht dargestellt. Der Abstand d zwischen Wellenleiter 11 und dem phasenschiebenden Element 5 ist variierbar und ändert sich mit der Grosse der Kraft 6. Eine im Abschnitt 1 ' des Wellenleiters 1 geführte optische Welle 3 hat eine vom Abstand d abhängige effektive Brechzahl N. Bei einer Aenderung Δd des Abstandes d ändert sich die effektive Brechzahl N um ΔN. Die Phasendifferenz Φ welche die geführte Welle 3 bei ihrer Ausbreitung unter dem phasenschiebenden Element 5 im Abschnitt 1 ' des Wellenleiters der Länge L erfährt ändert sich um ΔΦ=2π(L/λ)ΔN. Eine zeitabhängige Aenderung Δd(t) des Abstandes d bewirkt eine Phasenmodulation ΔΦ(t) der geführten Welle 3. Fig. 1 ist somit auch die schematische Darstellung einer als Phasenmodulator wirkenden erfindungsgemässen Vorrichtung. Umgekehrt - in reziproker Weise- kann aus einer gemessenen Phasenänderung ΔΦ die Abstandsänderung Δd und aus dieser die Kraft 6 bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt wie Fig. 1 die Grundelemente der Erfindung mit einer anderen Anordnung des phasenschiebenden Elements 5 unterhalb des Abschnitts 1 ' des Wellenleiters 1. Zwischen Wellenleiter 1 und Substrat 2 kann sich eine Trennschicht 7 befinden. Unterhalb des Wellenleiter- Abschnitts 1 ! befindet sich in der Trennschicht 7, oder wenn diese nicht vorhanden ist, im Substrat 2 eine Aussparung, die als Zwischenraum 4 den Abstand d zwischen Wellenleiter- Abschnitt 1 ' und dem phasenschiebenden Element 5 definiert. Das phasenschiebende Element 5 kann auch der direkt an den Zwischenraum 4 angrenzende Bereich der Trennschicht 7 oder des Substrats 2 sein. Der Wellenleiter kann mit einer Schutzschicht 10 bedeckt sein, welche eine kleinere Brechzahl als der Wellenleiter 1 besitzen muss und welche eine unerwünschte Beeinflussung der geführten Welle von aussen verhindert. Beispielsweise kann das Substrat 2 aus Si, der Wellenleiter 1 aus Si3N4, und die Trennschicht 7, Schutzschicht 10 und das phasenschiebende Element 5 aus SiO_ sein. Der Abstand d zwischen Wellenleiter 1 ' und dem phasenschiebenden Element 5 ändert sich mit der Grosse der Kraft 6. Figur 2 ist somit die schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung welche einerseits wie diejenige gemäss Fig. 1 als Phasen-Modulator und andererseits zur Messung der Abstandsänderung Δd und somit der Kraft 6 verwendet werden kann.
In Fig.3 ist das erfindungsgemässen Verfahren mit einem Mach-Zehnder-Interferometer als integriert-optischer Schaltung schematisch dargestellt. Der auf dem Substrat 2 angebrachte Streifenwellenleiter 1 verzweigt sich in die Streifenwellenleiter 1a und 1b, welche sich wieder zu einem Streifenwellenleiter 1c vereinigen. Ein phasenschiebendes Element 5 ist über einem Abschnitt 1a' der Länge L des Wellenleiters 1a angebracht. Der Abstand d zwischen phasen¬ schiebenden Element 5 und dem Wellenleiter-Abschnitt 1a' ist in der Aufsicht nicht dargestellt. Eine auf das Inter- ferometer einfallende geführte Welle 3e wird in die Teil¬ wellen 3a und 3b aufgeteilt. Die Interferenz dieser beiden Teilwellen mit einer Phasendifferenz Φ - §, ergibt am Ausgang des Interferometers im Wellenleiter 1c die geführte Welle 3 c ,
2 deren Intensität proportional zu cos [(Φ -Φ )/2] ist. Bei einer Abstandsänderung Δd ändert sich die effektive Brechzahl der im Wellenleiter-Abschnitt 1a' geführten Welle 3a um ΔN und somit ihre Phase und damit auch die Phasendifferenz Φa-Φb um ΔΦ=2π(L/λ)ΔN. Eine Abstandsänderung Δd(t) bewirkt eine Intensitätsänderung der geführten Welle 3c. Mit einer zeit¬ abhängigen Kraft β wird über die resultierende zeitabhängige Abstandsänderung Δd(t) die Intensitäts-Modulation der optischen Welle 3c bewirkt. Umgekehrt kann aus der gemessenen Intensitätsänderung der Welle 3c die Abstandsänderung Δd und daraus die Kraft 6 bestimmt werden. Mit einem nicht dargestellten weiteren phasenschiebenden Element im anderen Arm des Interferometers, d.h. über dem Wellenleiter 1b, kann der Teilwelle 3b ebenfalls eine Phasenänderung aufgeprägt werden, beispielsweise mit einer mit der Frequenz Ω periodischen Abstandsänderung eine Frequenz-Aenderung ß, um in einem Heterodyn-Verfahren die auf das phasenschiebende Element 5 im Arm 1a des Interferometers einwirkenden Kraft 6 sehr genau bestimmen zu können.
In Fig. 4 ist das erfindungsgemasse Verfahren mit einem Richtkoppler als integriert-optische Schaltung schematisch dargestellt. Die auf einem Substrat 2 angebrachten Streifenwellenleiter 1a und 1b, die in der Koppelregion einen kleinen Abstand von 5 -10 μm haben, bilden zusammen einen Richtkoppler. Bei geeigneter Länge der Koppelregion, die typischerweise 10 mm beträgt, und des Abstandes der Streifenwellenleiter in der Koppelregion voneinander wird eine in den Wellenleiter 1a eingekoppelte geführte Welle 3e ganz in den Wellenleiter 1b hinüber gekoppelt und tritt am Ausgang des Richtkopplers im
Wellenleiter 1b als geführte Welle Tb auf. Durch Aenderungen der effektiven Brechzahlen N in einem oder beiden der Streifenwellenleiter 1a und 1b in der Koppelregion kann die Welle 3e auf den Ausgang 1a geschaltet werden, oder anders ausgedrückt, der Richtkoppler ist eine 2x2-Schalt-Matrix, die vom Kreuz-Zustand in den Parallel-Zustand umgeschaltet werden kann. Die Wirkungsweise des Richtkopplers ist für elektro- optisch bewirkte Aenderungen der effektiven Brechzahlen in der Literatur ausführlich beschrieben worden; siehe z. B. R. G. Hunsperger, "Integrated Optics: Theory and Technology", Chaps. 7 und 8, Springer Verlag, Berlin, 1982 und die dort angegebene Literatur. Beim erfindungsgemässen Verfahren ist ein phasenschiebendes Element 5 der Länge L im Abstand d gegenüber dem Abschnitt 1a1 des Wellenleiters 1a in der Koppelregion angebracht. Durch nicht dargestellte Kräfte 6 wird der Abstand d geändert und damit die effektive Brechzahl N der im Wellenleiter-Abschnitt 1a1 geführten Welle 3 um ΔN geändert. Damit wird das Koppeln zwischen den Wellenleitern 1a und 1b beeinflusst; mit einer Phasenänderung
Figure imgf000018_0001
wird der Richtkoppler vom Kreuz-Zustand in den Parallel-Zustand geschaltet.
Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, ein zweites phasenschiebendes Element über einem Teil des Wellenleiters 1b1 in der Koppelregion anzubringen, um so die effektiven Brechzahlen in beiden Wellenleitern 1a1 und 1b' unabhängig voneinander zu ändern. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mit einem in der Koppelregion über beiden Wellenleitern 1ar und 1b1 angebrachten phasenschiebenden Element 5 durch eine Vergrösserung des Abstandes gegenüber dem einen und eine Verkleinerung des Abstandes gegenüber dem anderen der beiden Wellenleiter eine positive bzw. eine negative effektive Brechzahländ'erung in den Wellenleitern 1a' und 1b' zu erzeugen.
Beim sogenannten "Δß-Umkehr-Richtkoppler" wird nach dem gegenwärtigen Stand der Technik die Koppelregion in zwei Teilstrecken aufgeteilt, in welchen über den elektro- optischen Effekt effektive Brechzahländerungen mit verschiedenem Vorzeichen erzeugt werden (siehe Hunsperger, loc. cit.). Mit dem erfindungsgemässen Verfahren mit zwei phasenschiebenden Elementen 5 über den in zwei Teilstrecken aufgeteilten Wellenleiter-Abschnitten 1a' und 1b1 wird ohne Benutzung von elektro-optischen Effekten dieselbe Wirkung wie beim Δß-Umkehr-Richtkoppler-Verfahren erzielt. Beim erfindungsgemässen Verfahren mit dem Richtkoppler als integriert-optischer Schaltung kann mit einer bekannten zeitabhängigen Abstandsänderung Δd(t) auch eine gewünschte
Intensitäts-Modulation der geführten Wellen 3a oder 3b bewirkt werden, oder in dazu reziproker Weise kann aus gemessenen Intensitätsänderungen der Wellen 3a oder 3b die unbekannten Abstandsänderungen Δd und die diese bewirkenden Kräfte 6 bestimmt werden.
Nicht dargestellt ist die weitere Möglichkeit, mit an sich bekannten Anordnungen von Richtkopplern in einer NxM-Schalt- Matrix mit dem erfindungsgemässen Verfahren mit einem oder mehreren phasenschiebenden Elementen über jedem der Richtkoppler jede auf einem von N Eingangs-Wellenleitern einlaufende optische Welle auf irgendeinen von M Ausgangs- Wellenleitern zu schalten, wobei N, M ganze Zahlen >2 , vorzugsweise ganzzahlige Potenzen von 2, beispielsweise 4, 16, oder 128 sind.
In Fig. 5 ist das erfindungsgemasse Verfahren mit einem Bragg-Reflektor als integriert-optische Schaltung schematisch dargestellt. Als Bragg-Reflektor dient ein am Wellenleiter 1 auf dem Substrat 2 angebrachtes Gitter 8. Eine geführte Welle 3 wird auf den Bragg-Reflektor 8 einfallen gelassen. Durch eine nicht dargestellte Kraft 6 wird der in der Aufsicht ebenfalls nicht dargestellte Abstand d zwischen dem gegenüber dem Gitter 8 angebrachten phasenschiebenden Element 5 und dem Wellenleiter 1 geändert, und dadurch eine Aenderung der effektiven Brechzahl N im Wellenleiter 1 im Bereich des Gitters 8 bewirkt. Damit werden Reflexions- und Transmissions-Vermögen des Bragg-Reflektors 8 und folglich die Amplituden der reflektierten und transmittierten Wellen 3r und 3t geändert. Die Bragg-Bedingung für Reflexion einer monochromatischen geführten Welle 3 mit der Wellenlänge λ lautet 2NΛsinΘ=lλ, wobei Λ die Gitterkonstante, Θ der Winkel zwischen der Richtung der einfallenden geführten Welle 3 und den Gitterstrichen, und 1=1,2, die Ordnungszahl ist. Ist speziell der Winkel θ=90°, so wird die geführte Welle 3 dann retro-reflektiert, wenn die Bragg-Bedingung 2NΛ=lλ erfüllt ist. Die mit einer Abstandsänderung Δd erzeugte effektive Brechzahländerung ΔN im Bereich des Gitters 8 bewirkt eine Aenderung Δλ der Wellenlänge λ, bei welcher die Bragg- Reflexion bei konstantem Winkel θ auftritt, wobei aus der Bragg-Bedingung Δλ/λ=ΔN/N folgt. Der Wellenleiter 1 ist als planarer Wellenleiter dargestellt; es können aber auch Streifenwellenleiter für einfallende, transmittierte und reflektierte Wellen verwendet werden. Besitzt der Wellenleiter 1 im Bereich des Gitters 8 optische Verstärkung, d.h. bildet der Wellenleiter 1 mit dem Gitter 8 einen sogenannten "DFB"-Laser (distributed feedback Laser oder Laser mit verteilter Rückkopplung) , mit den durch die Bragg- Bedingung 2NΛ=lλ gegebenen Emissions-Wellenlängen λ, so bewirkt eine durch eine Abstandsänderung Δd erzeugte effektive Brechzahländerung ΔN eine Aenderung der Emissions- Wellenlängen um Δλ=λ(ΔN/N).
Fällt eine im Wellenleiter 1 geführte Welle 3 auf ein Gitter 8 unter bestimmten Einfallswinkeln © ein, so kann Bragg- Reflexion mit Moden-Konversion auftreten, d.h. die reflektierte geführte Welle 3r unterscheidet sich von der einfallenden Welle 3 in Polarisation und/oder Modenzahl. Wird der Abstand d variiert, so wird die Amplitude der Bragg- reflektierten Welle, d.h. der Konversionsgrad, geändert. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, dass der Bragg- Reflektor 8 aus einem Oberflächenreliefgitter besteht, welches an der dem Wellenleiter 1 zugewandten Oberfläche oder den oberflächen-nahen Schichten 13 des phasenschiebenden Elements 5 angebracht ist.
In Fig. 6 wird das erfindungsgemasse Verfahren mit einem Resonator als integriert-optischer Schaltung schematisch dargestellt. Ein phasenschiebendes Element 5 ist im Abstand d gegenüber dem Abschnitt 1 ' der Länge L des Wellenleiters 1 im Innern eines integriert-optischen Resonators angebracht. Der Resonator ist als Fabry-Perot- Interferometer oder -Resonator der Länge L mit Gittern 8 als teildurchlässigen Spiegeln dargestellt. Die Resonanz- Frequenzen des Resonators sind bekanntlich gleichzeitig die Frequenzen für welche das Transmissions-Vermögen des Interferometers maximal ist; sie seien mit vR und die dazugehörigen Resonanz-Wellenlängen mit λ_ bezeichnet. Bei einer durch eine Kraft 6 bewirkten Abstandsänderung Δd tritt eine effektive Brechzahländerung ΔN im Wellenleiter-Abschnitt 1 ' auf. Dadurch verschieben sich die Resonanz-Wellenlängen λ_ um
Figure imgf000021_0001
(L/LR) ist. Mit einer auf das phasenschiebende Element 5 einwirkenden Kraft 6 sind die Resonanz-Frequenzen des Resonators abstimmbar oder durchstimmbar. Dies bedeutet, dass 1. ) der Resonator für eine auf ihn einfallende geführte Welle 3e ein ab- oder durchstimmbarer Frequenzfilter ist, 2.) für eine monochromatische einfallende geführte Welle 3e eine Intensitäts-Aenderung der tansmittierten Welle 3r und der reflektierten Welle 3t auftritt, und
3.) für einen Laser-Resonator mit Verstärkung die Emissions- Wellenlängen ab- oder durchgestimmt werden.
Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, dass der Resonator ein Ringresonator ist.
In Fig. 7 ist das erfindungsgem sse Verfahren mit einem Gitter-Einkoppler als integriert-optischer Schaltung schematisch dargestellt. Es besteht darin, dass der Abstand d zwischen einem mit einem als Einkoppler wirkenden Gitter 8 versehenen Abschnitt 1 ' eines optischen Wellenleiters 1 auf einem Substrat 2 und dem darüber angebrachten phasen¬ schiebenden Element 5 durch Einwirkung einer Kraft 6 variiert wird, und dass damit der Einkoppel-Wirkungsgrad η mit dem eine unter dem Einfallswinkel α auf den Gitterkoppler 8 einfallende optische Welle 3e, vorzugsweise ein Laserstrahl, in den Wellenleiter 1 als geführte Welle 3 eingekoppelt wird, geändert wird. Der Einkoppelwirkungsgrad ist als Verhältnis der Leistungen der eingekoppelten geführten Welle 3 und der einfallenden Welle 3e definiert. Durch eine Variation der Kraft 6 wird die Leistung der eingekoppelten Welle 3 und somit auch diejenige der nicht eingekoppelten Welle geändert. Die Bedingung für optimale Ξinkopplung, d.h. für maximales π, lautet: N=n sinα + lλ/Λ, wobei N die effektive Brechzahl im Bereich des Gitterkopplers, n die Brechzahl der Luft, Λ die Gitterkonstante und 1=1,2,... die Beugungsordnung ist. Bei einer durch eine Abstandsänderung Δd bewirkten effektiven Brechzahländerung ΔN wird bei konstantem Einfallswinkel α der Einkoppelwirkungsgrad verändert. Ist die einfallende Welle nicht monochromatisch, so wird die Wellenlänge λ welche optimal eingekoppelt wird um Δλ verschoben, wobei aus der Einkoppelbedingung folgt dass
Figure imgf000022_0001
ist. Nicht dargestellt ist, dass die einfallende Welle 3e auch durch das phasen¬ schiebende Element 5 - wenn dieses transparent ist - auf den Gitterkoppler 8 einfallen kann. Nicht dargestellt ist auch die Möglichkeit, dass der Gitterkoppler 8 aus einem Ober¬ flächenreliefgitter besteht, welches an der dem Wellenleiter 1 zugewandten Oberfläche oder den oberflächen-nahen Schichten 13 des phasenschiebenden Elements 5 angebracht ist.
In Fig. 8 ist das erfindungsgemasse Verfahren mit einem Gitter-Auskoppler als integriert-optische Schaltung schematisch dargestellt. Es besteht darin, dass der Abstand d zwischen einem mit einem als Auskoppler wirkenden Gitter 8 versehenen Abschnitt 1 ' eines optischen Wellenleiters 1 auf einem Substrat 2 und dem darüber angebrachten phasen¬ schiebenden Element 5 durch Einwirkung einer Kraft 6 variiert wird, und dass damit der Winkel α unter dem eine geführte Welle 3 vom Gitterkoppler 8 ausgekoppelt wird geändert wird. Die zur Einkoppel-Bedingung analoge Gleichung welche den Auskoppel-Winkel σ der ausgekoppelten Welle 3a angibt lautet N=nsinσ +■ lλ/Λ. Eine effektive Brechzahl-änderung ΔN im Bereich des Gitters 8 führt zu einer Aenderung Δα des Auskoppelwinkels, wobei ΔN=nΔαcosα ist. Ist die geführte Welle 3 nicht monochromatisch, wie oben angenommen, so wird die Wellenlänge λ die unter einem bestimmten Winkel σ ausgekoppelt wird um Δλ verschoben, wobei
Figure imgf000023_0001
ist. Nicht dargestellt ist, dass die geführte Welle 3 vom Gitterkoppler 8 auch in Richtung des phasenschiebenden Elements 5 ausgekoppelt und -wenn dieses transparent ist- durch dasselbe abgestrahlt werden kann.
Wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren der Abstand d(x) in Ausbreitungsrichtung x der geführten Welle keilförmig ausgebildet, so wird die ausgekoppelte Welle 3a fokussiert oder defokussiert. Eine lineare Aenderung der effektiven Brechzahl im Bereich des Gitterkopplers 8, d.h. N(x)=N+(dN/dx)x, wobei dN/dx eine zum Keilwinkel proportionale Konstante ist, wirkt analog wie eine in die ausgekoppelte Welle 3a hineingestellte Zylinderlinse der Brennweite f=(dN/dx) —~1 ; zum Beispiel ist f=1 m, wenn N über
Länge von 5 mm um ΔN=5-10 variiert. Der Gitterkoppler 8 ist als Gitter mit einer konstanten, d.h. nicht ortsabhängigen
Gitterkonstante dargestellt. Er kann aber auch eine ortsabhängige Gitterkonstante und damit eine fokussierende
Wirkung auf die ausgekoppelte Welle 3a entsprechend einer
Linse der Brennweite fo haben. In diesem Falle wird bei einer
Veränderung'des Keilwinkels des phasenschiebenden Elements 5 die Lage des Fokus der ausgekoppelten Welle 3a verändert, und zwar um die Distanz fo
Figure imgf000023_0002
mm und f=1 m um f /f=0,1 mm. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, dass der Gitterkoppler 8 aus einem Oberflächenreliefgitter besteht, welches an der dem Wellenleiter 1 zugewandten Oberfläche oder den oberflächen-nahen Schichten 13 des phasenschiebenden Elements 5 angebracht ist.
In Fig. 9 ist das erfindungsgemasse Verfahren zur seitlichen Ablenkung einer in einem planaren Wellenleiter 1 geführten Welle schematisch dargestellt. Es besteht darin, dass eine geführte Welle 3 in einem planaren Wellenleiter 1 auf einem Substrat 2 geführt wird, und dass der in der Aufsicht nicht dargestellte Zwischenraum 4 zwischen dem Abschnitt 1 ' des Wellenleiters 1 und dem diesem gegenüber angebrachten phasenschiebenden Element 5 in y-Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung x der geführten Welle 3 keilförmig gestaltet wird und der Keilwinkel durch Einwirkung von nicht dargestellten Kräften 6 variiert wird, wodurch der Winkel ß um den die abgelenkte geführte Welle 3d (hinter dem phasenschiebenden Element 5) aus der Richtung der einfallenden geführten Welle 3 abgelenkt wird, verändert wird. Der keilförmige Zwischenraum 4, d.h. der von der y Koordinate linear abhängige Abstand d(y), bewirkt, dass auch die effektive Brechzahl N der geführten Welle 3 linear von y abhängt, d.h. dass N(y)=N+(dN/dy)y ist, wobei dN/dy eine zum Keilwinkel proportionale Konstante ist. Damit erfährt die geführte Welle 3 bei ihrer Ausbreitung unter dem phasenschiebenden Element 5 der Länge L die y abhängige Phasenschiebung Φ(y)=kNL+kL(dN/dy)y , was einer Ablenkung um den Winkel ß entspricht, wobei Nsinß=L(dN/dy)«LΔN/D ist, wobei ΔN die Brechzahländerung über die Strahlbreite D ist. Ist beispielsweise N%1,5, L=10 mm, D=1 bis 0,1 mm und ΔN=1-10"3 wird ß 0,4° bis 4°.
Wird der Abstand d quadratisch von der Koordinate y abhängig, so wird die effektive Brechzahl der im Wellenleiter 1 r geführten Welle 3 in folgender Form von y abhängig:
Figure imgf000024_0001
)y2, wobei d2N/dy2 eine Konstante ist. Die geführte Welle 3 erfährt dann durch ihre Ausbreitung unter dem phasenschiebenden Element 5 der Länge L eine y-abhängige Phasenschiebung Φ(y)=kLN(y), was der Wirkung einer Linse für die geführte Welle 3d mit der Brennweite f entspricht, wobei 1/f=N"1L(d2N/dy2) 4(ΔN/N) (L/D2) und ΔN die maximale effektive Brechzahländerung über der Strahlbreite D ist. Sind zum Bei¬ spiel N=1,5, ΔN=1,5«10~ , L=10 mm und D=1 mm so wird f=25 mm.
In Fig. 10 wird das erfindungsgemasse Verfahren mit zwei phasenschiebenden Elementen zur Ablenkung einer aus einem Wellenleiter ausgekoppelten Welle in zwei zueinander senkrechten Richtungen schematisch dargestellt. Die an sich bekannte integriert-optische Schaltung besteht aus einem planaren Wellenleiter 1 auf einem Substrat 2 und einem fokussierenden Gitterkoppler 8 mit gekrümmten Gitterstrichen und ortsabhängiger Gitterkonstante. Licht eines Lasers 9 wird in den planaren optischen Wellenleiter 1 eingekoppelt, die divergierende geführte Welle 3 wird von dem Gitterkoppler 8 ausgekoppelt und die ausgekoppelte Welle 3a wird zu dem Fokus 11 auf der Fläche 12 fokussiert. Durch das phasenschiebende Element 5 das im Abstand d gegenüber einem Abschnitt 1 ' des planaren Wellenleiters 1 angebracht ist wird- wie bereits in Fig. 9 schematisch dargestellt wurde- die geführte Welle 3d transversal zu ihrer Ausbreitungsrichtung abgelenkt und somit der Fokus 11 auf der Fläche 12 in y Richtung ausgelenkt. Durch ein zweites nicht dargestelltes phasenschiebendes Element gegenüber dem Gitterkoppler 8 wird - wie bereits oben in Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben wurde - der Auskoppelwinkel α der ausgekoppelten Welle 3a geändert und damit der Fokus 11 auf der Fläche 12 in x Richtung ausgelenkt werden. Das erfindungsgemasse Verfahren stellt ein Laser- Scanner Verfahren dar, das beispielsweise insbesondere in der digitalen optischen Datenspeicherung eingesetzt werden kann. Dabei wird die erfindungsgemasse Vorrichtung als Lese- und/oder Schreib-Kopf benutzt. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können die kleinen zum Verfolgen der Spur notwendigen Korrekturen der Position des Fokus 11 auf der optischen Speicherplatte 12 sehr schnell ausgeführt werden. Dieses hat den Vorteil, dass nicht der ganze Lese- und/oder Schreib-Kopf schnell mechanisch bewegt werden muss, was die mechanische Konstruktion sehr vereinfacht. Ist nur eine Ablenkung senkrecht zur Spur erforderlich, so kann das zweite phasenschiebende Element, vorzugsweise jenes über dem Gitterkoppler 8 weggelassen werden.
Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, dass die Welle 3a von der optischen Speicherplatte 12 nahezu senkrecht reflektiert wird, und die reflektierte Welle vom Gitterkoppler 8 in den Wellenleiter 1 zurück eingekoppelt und die eingekoppelte geführte Welle vom Gitter 8 auf vorzugsweise am Substrat 2 angebrachte Detektoren fokussiert wird.
In Fig. 11 ist das erfindungsgemasse Verfahren mit einem X-Schalter als integriert-optischer Schaltung schematisch dargestellt. Der X-Schalter besteht aus zwei sich
0 unter dem kleinen Winkel, beispielsweise 1 , entweder durchkreuzenden oder übereinander hinweg laufenden Streifenwellenleitern 1a und 1b. Eine optische Welle 3e wird in einen der beiden Streifenwellenleiter 1a oder 1b eingekoppelt. Das phasenschiebende Element 5 wird durch einen in der Aufsicht nicht dargestellten Zwischenraum 4 getrennt im Abstand d gegenüber dem Kreuzungsbereich der beiden Streifenwellenleiter-Abschnitte 1a1 und 1b1 angebracht. Wird der Abstand d in Richtung senkrecht zu den beiden Streifenwellenleiter-Abschnitten 1a' und 1b1 keilförmig gestaltet, so werden bei einer Aenderung des Keilwinkels die effektiven Brechzahlen N in den beiden Streifenwellenleiter- Abschnitten 1a1 und 1b' verschieden geändert, wodurch die Kopplung zwischen ihnen beeinflusst wird. Dadurch werden die
Intensitäten der geführte Wellen 3a und 3b in den Streifenwellenleitern 1a und 1b am Ausgang des X-Schalters geändert. Der X-Schalter ist wie der Richtkoppler eine 2x2- Schalt-Matrix, die vom Kreuz-Zustand in den Parallel-Zustand geschaltet werden kann.
Die erfindungsgemasse Vorrichtung wie sie in Fig. 12 schematisch dargestellt ist, umfasst einen Wellenleiter 1 auf einem Substrat 2, und ein an einer miniaturisierten Zunge 14 befestigtes phasenschiebendes Element 5 mit einer dem Wellenleiter-Abschnitt 1 ' zugewandten oberflächen-nahen Schicht 13. Die Zunge 14 ist mit dem Halter 16 am Substrat 2 befestigt. Zwischen dem phasenschiebenden Element 5, bzw. dessen Oberflächen-Schicht 13 und dem Wellenleiter-Abschnitt 1 ' im Abstand d befindet sich der beispielsweise mit Luft oder einem anderen Gas gefüllte oder evakuierte Zwischenraum 4. Somit kann durch eine sehr kleine Kraft 6 die Zunge 14 gebogen und damit der Abstand d zwischen dem phasenschiebenden Element 5 und dem Wellenleiter-Abschnitt 1 ' geändert werden. Beim erfindungsgemässen Verfahren kann aus der über die Phasenänderungen der geführten Welle 3 die Abstandsänderung Δd und somit die an die Elektroden 17 angelegte Spannung bestimmt werden. Die Kraft 6 ist beispielsweise eine elektrostatische Anziehungs- oder Abstossungs-Kraft zwischen den am Substrat 2 bzw. an der Zunge 14 angebrachten Elektroden 17 an welche eine Spannungs¬ differenz angelegt wird. Die Kraft 6 kann auch eine auf die Zunge 14 ausgeübte mechanisch erzeugte Kraft sein, oder die Trägheits- oder Beschleunigungs-Kraft welche bei einer Beschleunigung der ganzen erfindungsgemässen Vorrichtung auf die Zunge 14 mit phasenschiebendem Element 5 wirkt. In letzterem Fall besteht die Schicht 15 vorzugsweise zur Erhöhung der trägen Masse aus einem Metall, beispielsweise aus AI oder Au. Die Kraft 6 kann auch durch eine Temperatur¬ änderung über die thermische Ausdehnung von einzelnen oder aller Bauteile aus der Gruppe Wellenleiter 1, Substrat 2, phasenschiebendes Element 5 und dessen Befestigung 12,16 am Wellenleiter 1 bzw. Substrat 2 erzeugt werden. Bespielsweise kann die auf der Zunge 14 angebrachte Schicht 15 einen anderen Ausdehnungskoeffizienten als die Zunge 14 haben, was bei einer Temperaturänderung zu einer Verbiegung der Zunge 14 und damit zu einer Abstandsänderung Δd führt. Die Zunge 14 kann beispielsweise aus SiO_ und die Schicht 15 aus einer Metallschicht sein. Die Temperaturänderung kann beispielsweise durch von aussen einfallendes Licht oder Infrarot-Strahlung, welche in der Schicht 15, der Zunge 14 oder dem phasenschiebenden Element 5, im Wellenleiter- Abschnitt 1 ' oder Substrat 2 absorbiert wird, erzeugt werden, oder durch teilweise Absorption der geführten Welle 3 im Wellenleiter-Abschnitt 1 ' oder im phasenschiebenden Element 5. Im letztgenannten Fall wird das Verhalten der erfindungsgemässen Vorrichtung nichtlinear, d.h. abhängig von der Leistung der geführten Welle 3.
Die Kraft 6 kann auch piezoelektrisch erzeugt werden, beispielsweise kann die Schicht 15 piezoelektrisch sein und durch Anlegen einer Spannung ihre Länge ändern, wodurch sich die Zunge 14 verbiegt und damit der Abstand d geändert wird.
Die erfindungsgemasse Vorrichtung wie sie in Fig. 13 schematisch dargestellt ist, umfasst einen auf einem Substrat 2 angebrachten Wellenleiter 1, der mit einer Schutzschicht 10 versehen ist, und ein oberhalb des Wellenleiter-Abschnitts 1 ' liegendes phasenschiebendes Element 5. Zwischen Wellenleiter 1 und Substrat 2 kann eine nicht dargestellte Trennschicht 7 liegen, deren Brechzahl kleiner als die des Wellenleiters 1 sein muss. Sie dient dazu den Wellenleiter 1 vom Substrat 2 optisch zu trennen, sodass das Substrat dann auch absorbierend sein darf. Die Schutzschicht 10 dient dazu, eine unerwünschte Beeinflussung der im Wellenleiter 1 geführten Welle von aussen zu verhindern; sie besitzt eine Brechzahl die kleiner ist als die Brechzahl des Wellenleiters 1 und eine Schichtdicke welche grösser als die Eindringtiefe des quergedämpften Feldes der geführten Welle 3 in der Schutzschicht 10 ist. In der Schutzschicht 10 ist oberhalb des Wellenleiter-Abschnitts 1 ' eine Aussparung angebracht, die als Zwischenraum 4 den Abstand d zwischen dem Wellenleiter-Abschnitt 1 ' und dem phasenschiebendem Element 5 definiert. Das phasenschiebende Element 5 kann beispielsweise der unmittelbar an den Zwischenraum 4 angrenzende Bereich der Schutzschicht 10 sein. Der oberhalb der Aussparung verbleibende Teil der Schutzschicht 10 hat die Form einer miniaturisierten Brücke oder Membran über dem Wellenleiter- Abschnitt 1 l . Durch eine kleine Kraft 6 kann diese Brücke oder Membran deformiert und somit der Abstand d variiert werden. Die Kraft 6 "kann beispielsweise durch pneumatische oder hydrostatische Drücke oder durch Schall- oder Ultraschall-Wellen erzeugt werden. Daher kann die erfindungsgemasse Vorrichtung beispielsweise zur Messung von Drücken und Druckänderungen und als Mikrophon oder Hydrophon verwendet werden.
Die erfindungsgemasse Vorrichtung wie sie in Fig. 14 schematisch dargestellt ist, unterscheidet sich von von der in Fig. 13 dargestellten Vorrichtung darin, dass die als Zwischenraum 4 dienende Aussparung im Wellenleiter 1 ' selbst angebracht ist, und zwar an der Grenzfläche zur Schutz¬ schicht 10. Ein unmittelbar an den Zwischenraum 4 angrenzender Bereich der Schutzschicht 10 wirkt als phasenschiebendes Element 5.
Nicht dargestellt ist die weitere Möglichkeit, dass die Aussparung im Wellenleiter-Abschnitt 1 ' an der Grenzfläche zur nicht dargestellten Trennschicht 7, bzw. wenn diese nicht vorhanden ist, an der Grenzfläche zum Substrat 2 angebracht ist. Die Aussparung definiert dann als Zwischenraum 4 den Abstand d zwischen dem Wellenleiter-Abschnitt 1 ' und dem phasenschiebenden Element 5, als welches der unmittelbar an den Zwischenraum 4 angrenzende Bereich der Trennschicht 7, bzw. wenn diese nicht vorhanden ist, des Substrats 2 wirkt.
Die erfindungsgemasse Vorrichtung wie sie in Fig.
15 schematisch dargestellt ist, unterscheidet sich von von der in Fig. 14 dargestellten Vorrichtung darin, dass die als - Zwischenraum 4 dienende Aussparung im Inneren des Wellen¬ leiter-Abschnitts 1 ' selbst angebracht ist. Die direkt an den Zwischenraum 4 angrenzenden und von diesem getrennten Bereiche des Wellenleiter-Abschnitts 1 ' wirken beide gleich¬ zeitig als phasenschiebendes Element 5 und als Wellenleiter. Nicht dargestellt ist die weitere Möglichkeit, dass zwei je auf einem Substrat angebrachte (entweder für sich allein schon wellenleitende oder wegen zu geringer Schichtdicke nicht wellenleitende) Schichten,, welche eine höhere Brechzahl als das jeweilige Substrat haben, nur in einem Abschnitt 1 ' mit Abstandshaltern der Dicke d, welche einen Zwischenraum 4 zwischen ihnen definieren, voneinander getrennt sind ausserhalb des Abschnitts 1 ' aber miteinander verbunden sind und den Wellenleiter 1 bilden, beispielsweise als einstückiger Wellenleiter 1 ausgebildet sind. Im Abschnitt 1 ' wirken die vom Zwischenraum 4 getrennten Schichten beide gleichzeitig als Wellenleiter und als phasenschiebendes Element 5.
Die erfindungsgem sse Vorrichtung wie sie in Fig.
16 schematisch dargestellt ist, umfasst einen auf einem Substrat 2 angebrachten Wellenleiter 1 und ein phasen¬ schiebendes Element 5 das gegenüber dem Wellenleiter- Abschnitt 1 ' im Abstand d angeordnet ist. Das phasen¬ schiebende Element 5 ist an einem piezoelektrischen Element angebracht, welches aus der piezoelektrischen Schicht 18 und Elektroden 17 besteht. Das piezoelektrische Element ist seinerseits mit einer Befestigung 16 am Substrat 2 befestigt. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 17 wird durch die dabei erzeugten in der Zeichnung nicht dargestellten piezoelektrischen Kräfte die Dicke der piezoelektrischen Schicht 18 und somit der Abstand d geändert und damit die Phase der geführten Welle 3 im Wellenleiter-Abschnitt 1 ' geändert.
Eine weitere Möglichkeit eine Abstandsänderung Δd zu erzeugen besteht darin durch eine Temperaturänderung über die thermische Ausdehnung von einzelnen oder aller Bauteile aus der Gruppe Wellenleiter 1, Substrat 2, phasenschiebendes Element 5 und dessen Befestigung 16 am Substrat 2 zu erzeugen. Dabei kann die Temperaturänderung durch elektrische Ströme entweder in einer insbesondere aus Indium-Zinn-Oxyd (ITO) oder Metall bestehenden Heizschicht oder einem thermoelektrischen (Peltier) Element, welches an die Stelle der Schicht 18 tritt, beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden 17 erzeugt werden. Nicht dargestellt, ist die Möglichkeit die piezoelektrische Schicht 18, eine Heizschicht oder eine- thermoelektrische Schicht und die Elektroden 17 nicht am phasenschiebenden Element 5 sondern -mit Trenn¬ schichten - zwischen Wellenleiter-Abschnitt 1 ' und Substrat 2 oder am Substrat 2 anzubringen.
In Fig. 17 ist das erfindungsgemasse Verfahren mit einer Faser als Wellenleiter schematisch dargestellt. Die Faser besteht aus dem Faser-Kern 21 und dem Mantel 22. Die optische Welle 3, welche in der QuerschnittsZeichnung nicht dargestellt ist, wird im Faser-Kern 21 geführt, analog wie in einem Streifenwellenleiter 1 in der integrierten Optik. Der Faser-Kern 21 wird daher auch als Wellenleiter 1 bezeichnet. In den Mantel 22 reicht das Feld der geführten Welle als quergedämpfte Welle hinein, deren Feldstärke mit zunehmender Entfernung vom Faser-Kern 21 näherungsweise exponentiell abfällt. In einem Abschnitt 1 ' des Faser-Wellenleiters 1 ist der Mantel 22 auf einer Seite der Faser wie gezeichnet ganz oder teilweise entfernt. Daher kann das quergedämpfte Feld der geführten Welle 3 durch den Zwischenraum 4 mit dem im Abstand d von der Faser angebrachten phasenschiebenden Element 5 in Wechselwirkung treten. Durch eine Variation des Abstands d wird die effektive Brechzahl N der im Abschnitt 1 ' des Faser-Wellenleiters, d.h. im Faser-Kern 21 , geführten Welle 3 und damit ihre Phase geändert, völlig analog wie beim erfindungsgemässen Verfahren mit einem planaren oder Streifenwellenleiter. Die Faser ist zur Befestigung in eine Rille oder Nut 23 eines Substrats 2 eingelegt, wobei vorzugsweise das Substrat ein Siliziu -Wafer ist, in dem die Rille oder Nut 23 durch Aetzen erzeugt wurde. Das phasenschiebende Element 5 ist mit einer Befestigung 16 und Brücke 19 am Substrat 2 befestigt. Mit einer Kraft 6 wird der Abstand d und damit die Phase der im Wellenleiter-Abschnitt 1 ' geführten Welle geändert. Die Aenderung des Abstandes d kann auch durch die Kräfte einer beispielsweise an der dem Wellenleiter-Abschnitt 1 ' zugewandten Oberfläche der Brücke 19 entlanglaufenden akustischen Oberflächenwelle, welche eine Auslenkung der Oberfläche in Normalenrichtung bewirken, erzeugt werden.
In Fig. 18 ist das erfindungsgem sse Verfahren mit einem Mach-Zehnder-Interferometer als faseroptischer Schaltung schematisch dargestellt. Das nach dem gegenwärtigen Stand der Technik bekannte Interferometer wird von den Faser- Wellenleitern 1a und 1b gebildet, welche am Eingang und am Ausgang des Interferometers mit 3dB-Kopplern 24 und 25 miteinander gekoppelt sind. Eine im Wellenleiter 1a einfallende geführte Welle 3e wird vom 3dB-Koppler 24 am Eingang in zwei Teilwellen 3a und 3b in den beiden Armen des
Interferometers aufgeteilt. Die Intensitäten der Wellen 3a und 3b, welche am Ausgang des Interferometers hinter dem 3dB-
Koppler 25 in den Faser-Wellenleitern 1a und 1b auftreten sind proportional zu sin 2[(Φ -Φ, )/2] bzw. cos2[(Φ -Φ. )/2], wobei Φa-Φb die Phasendifferenz der Teilwellen 3a und 3b direkt vor dem Koppler 25 ist. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist ein phasenschiebendes Element 5 von einem nicht dargestellten Zwischenraum 4 getrennt gegenüber dem Abschnitt 1a' des Wellenleiters 1a angeordnet. Bei einer Aenderung des - in der Aufsicht nicht dargestellten - Abstands d zwischem den phasenschiebenden Element 5 und dem Faser-Wellenleiter 1a1 wird die effektive Brechzahl der Teilwelle 3a und damit ihre Phase und somit die Phasendifferenz *a _**h geändert. Mit einer Abstandsänderung Δd wird die Intensit ts-Modulation der
Wellen 3a und 3b am Ausgang des Interferometers bewirkt.Wird der Abstand d so gewählt, dass die Phasendifferenz Φ -Φ,=2πm bzw. Φ - ". =π(2m+1 ) ist, wobei m eine ganze Zahl bedeutet, so wird die Welle 3e vom Eingang 1a auf den Ausgang 1b bzw. den
Ausgang 1a geschaltet. Fällt gleichzeitig eine weitere Welle am Eingang 1b ein, so wird sie auf den jeweils anderen der beiden Ausgänge 1a oder 1b geschaltet. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wirkt das Mach-Zehnder-
Interferometer als 2x2-Schalt-Matrix, welche durch eine
Abstandsänderung Δd die gerade eine Aenderung der
Phasendifferenz Φa-Φ,bum π bewirkt vom Parallel-Zustand, in dem der Eingang 1a nur mit dem Ausgang 1a und der Eingang 1b nur mit dem Ausgang 1b optisch verbunden sind, in den Kreuz- Zustand geschaltet wird, in dem der Eingang 1a nur mit dem Ausgang 1b und der Eingang 1b nur mit dem Ausgang 1a verbunden ist. Das beschriebene erfindungsgemasse Verfahren kann völlig analog auch mit einem integriert-optischen anstelle des faser-optischen Mach-Zehnder-Interferometer realisiert werden. Bei dem integriert-optischen Mach-Zehnder- Interferometer sind dann ebenfalls 3dB-Koppler zu verwenden anstelle der bei dem in Fig. 3 dargestellten Mach-Zehnder- Interferometer mit Y-Verzweigungen als Strahlteiler und Strahlvereiniger.
Nicht dargestellt ist die weitere Möglichkeit mit an sich bekannten Matrix-Anordnungen von Mach-Zehnder-Interferometern mit dem erfindungsgemässen Verfahren mit mindestens einem phasenschiebenden Element in jedem Mach-Zehnder- Interferometer jeden von N Eingangs-Wellenleitern mit einem von M Ausgangs-Wellenleitern optisch zu verbinden; die erfindungsgemasse Vorrichtung wirkt dann als NxM-Schalt- Matrix, wobei N und M ganze Zahlen >2 sind.
Die erfindungsgemasse Vorrichtung wie sie in Fig. 19 schematisch dargestellt ist umfasst einen aus Faser-Kern 21 und Mantel 22 bestehenden Faser-Wellenleiter mit einer Aussparung, vorzugsweise in Form eines Schlitzes, Loches oder Bohrung, im Mantel 22 welche als Zwischenraum 4 den Abstand d zwischen dem Faser-Kern 21 als Wellenleiter-Abschnitt 1 ' und dem phasenschiebenden Element 5 definiert. Das phasen¬ schiebende■Element 5 ist dabei vorzugsweise der an den Zwischenraum 4 angrenzende Bereich des Mantels 22. Durch eine Kraft 6 wird der Abstand d variiert und damit die effektive Brechzahl N der nicht dargestellten im Wellenleiter-Abschnitt 1 ' geführten Welle 3 und somit auch deren Phase. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, dass die Aussparung auch teilweise oder ganz im Faser-Kern 21 angebracht wird, wobei sie beispielsweise auch die Form einer zylindrischen Bohrung entlang der Faser-Achse haben kann, in welchem Falle die Faser im Abschnitt 1 ' also hohl ist.
Die Aussparungen können als Bohrungen, Löcher und Schlitze beispielsweise mit Puls-Laser, z.B. Nd-YAG- oder Excimer- Lasern, in Glas- oder Kunststoff-Fasern angebracht werden.
Das erfindungsgemasse Verfahren eignet sich beispielsweise insbesondere für folgende Applikationen:
1 ) in der optischen Kommunikations-Technik als Richtungs- Schalter, d.h. zum Schalten von geführten Wellen zwischen verschiedenen Ausgängen der integriert-optischen Schaltung, und als Phasen- und Intensitäts-Modulator.
2) in der Messtechnik zur Messung von sehr kleinen Verschiebungen mit einer Auflösung im nm und sub-nm-Bereich, von sehr kleinen Kräften, zur Messung von Drücken und Druckänderungen einschliesslich von Schalldruck (als Mikrophon und Hydrophon), und von Beschleunigungen und Schwingungen.

Claims

25. Mai 1988 (25.05.88) eingegangen; ursprüngliche Ansprüche 21 und 22 gestrichen; Ansprüche 1 und 20 geändert; alle weiteren Ansprüchen unverändert (2 Seiten)]
1 ) Optisches mikro-mechanisches Verfahren zur Phasenänderung geführter Wellen und Mess-Verfahren für sehr kleine mechanische Verschiebungen, dadurch gekennzeichnet, dass a) in einem Wellenleiter (1), oder in einer an sich bekannten integriert-optischen oder faser-optischen Schaltung die mindestens einen Wellenleiter (1) enthält, die effektive Brechzahl N und damit die Phase der in einem Abschnitt (1 ' ) des Wellenleiters (1) geführten optischen Welle (3) geändert wird, indem der Abstand d zwischen dem Wellenleiter-Abschnitt (1') und einem diesem gegenüber angebrachten phasenschieben¬ den Element (5) geändert wird, wobei der Abstand d so klein gewählt wird, dass die im Wellenleiter-Abschnitt (1') geführte Welle (3) über ihr mit zunehmender Entfernung vom Wellenleiter (1') exponentiell abfallendes quergedämpftes Feld durch den mit einem absorptionsarmen Medium mit einer Brechzahl n<N gefüllten Zwischenraum (4) mit dem phasen¬ schiebenden Element (5), oder mindestens mit dessen dem Wellenleiter-Abschnitt (11) zugewandten oberflächen-nahen Schichten (13). in Wechselwirkung steht, b) das phasen¬ schiebende Element (5) keine oder nur wenig Leistung der geführten Welle (3) absorbiert und/oder aus dem Wellenleiter- Abschnitt (11) auskoppelt, und c) dass entweder der Abstand d als Funktion der Zeit variiert wird und damit gewünschte Aenderungen der effektiven Brechzahl N und der Phase der geführten Welle (3) bewirkt werden, oder dass umgekehrt -in reziproker Weise- die Aenderungen der effektiven Brechzahl N und der Phase der optischen Welle (3) zum Nachweis, von oder zur Messung der Aenderungen des Abstandes d benutzt werden.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass der Abstand d zwischen Wellenleiter-Abschnitt (1') und phasenschiebendem Element (5) kleiner als vier Eindring- tiefen Δz=(λ/2π)(N 2-n2)-1 /2 des quergedämpften Feldes in den
Zwischenraum (4), wobei λ die Lichtwellenlänge im Vakuum be¬ zeichnet, vorzugsweise kleiner als eine Eindringtiefe Δz ist.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Zwischenraum (4) zwischen dem seine dem Wellenleiter-Abschnitt (11) zugewandten oberflächen-nahen Schichten (13) aus bei der benutzten Lichtwellenlänge λ nicht oder wenig absorbierenden Materialien mit Brechzahlen nE kleiner als die effektive Brechzahl N der im Wellenleiter-Abschnitt (1 ' ) geführten Welle (3) bestehen.
21) [gestrichen]
22) [gestrichen]
23) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Wellenleiter-Abschnitt (11) zugewandte Oberfläche des phasenschiebenden Elements (5), bzw. die darauf befindlichen Schichten (13), entweder glatt sind oder mit einer Oberflächenstruktur, beispielsweise einem als Einkoppler, Auskoppler, oder Bragg-Reflektor dienenden Gitter (8) versehen ist.
24) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekenzeichnet, dass das phasenschiebende Element (5) gegenüber dem Wellenleiter-Abschnitt (11) an einer Zunge (14), Brücke (19) oder Membran angebracht ist, welche mit einer Befestigung (16) am Wellenleiter (1) oder Substrat (2) oder an der Schutzschicht (10) befestigt ist, wobei die Zunge (14), Brücke (19) oder Membran vorzugsweise miniaturisiert sind und beispielsweise aus Si02 bestehen, und vorzugsweise
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