STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft ein integriertes akusto-optisches Bauelement zur Frequenzverschiebung von Lichtfrequenzen nach der Gattung des Anspruchs 1.

Derartige akusto-optische Bauelemente zur Frequenzverschie¬ bung bzw. -Versetzung werden z.B. in optischen Heterodyn- In terfe ometern benötigt. Ein derartiges, als Modulator ausgebildetes akusto-optisches Bauelement ist beispielsweise aus Appl . Phys. Lett. 17, 265 (1970), Kuhn, Daks, Heidrich, Scott, bekannt. Bei diesem bekannten Modulator wird zunächst ein Lichtleiter aufgeteilt, und jeder der beiden aufge¬ teilten Lichtstrahlen muß dann aufgeweitet und einer Optik zugeführt werden, die jeweils ein breites paralleles Licht- b ^' ündel erzeugt. Diese breiten Lichbündel durchlaufen dann Zonen akustischer Wellen, die sich senkrecht zum Licht ausbreiten. Sie wirken wie ein optisches Gitter des Bragg- Typs, so daß das durchtretende Licht gebeugt wird. Der Beugungsstrahl erster Ordnung wird ausgewertet und beinhal¬ tet eine Frequenzverschiebung. Über ein optisches System erfolgt eine Rückführung in Lichtleiter, wobei das frequenz¬ verschobene Bündel erster Ordnung weiter ausgewe tet wird. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß die Aufweitung des Lichtstrahls und Wi ederrückführung in einen Lichtleiter technologisch sehr aufwendig ist. Da die akustische Welle lediglich im Bereich der Breite des Lichtstrahls wirkt, muß eine hohe elektrische Leistung

für die akustische Welle aufgebracht werden. Weiterhin ist die Abtrennung des frequenzverschobenen Bündels techno¬ logisch problematisch, da der Beugungswinkel relativ klein ist.

Weiterhin ist aus Journal of Lightware Technology, Vol . 6, No. 6, Juni 1988, S. 903 ff, Hinkov, Opitz, Sohler, ein akusto-opt i scher Modenkonverter bekannt, bei dem keine Aufweitung des in Wellenleitern geführten Lichts erforder¬ l ich ist. Die Schallwelle wird parallel zum Lichtleiter geführt, wobei ein doppe 1 brechendes Material erforderl ich ist. Zur Frequenzversetzung wird der Wellenleiter in einer Y-Verzweigung verzweigt, wobei die beiden Arme der Y-Ver- zweigung als TE-TM-Modenkonverter ausgebildet sind, die mit akustischen Oberflächenwellen betrieben werden. Die akustische ittelfrequenz, bei der die Modenkonversion für eine bestimmte optische Wellenlänge stattfindet, ist weitgehend durch die K i stal 1 doppe 1 brechung bestimmt. Mit Hilfe einen protronenausgetauschten Schicht wird die Doppel¬ brechung in einem der Arme verschoben. Die akusto-optische Wechselwirkung in beiden Armen findet dann bei unterschied¬ l ichen akustischen Mi ttel frequenzen statt, so daß die opti¬ schen Frequenzen beider austretender Strahlen um die Diffe¬ renzfrequenz verschoben sind. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß ein teures, doppe 1 brechendes Material benötigt wird, wie z.B. LiNbO,. Ein weiterer Nach¬ teil ist die relativ hohe Temperaturempfindl ichkeit dieses Verfahrens .

Außerdem ist aus Appl . Phys. Lett. 19 ( 1971) 428 ff, Kuhn, Heidrich, Lean, ein akusto-opt i scher Modenkonverter bekannt, bei dem auch keine Aufweitung des in Wellenleitern geführten Lichts erforderl ich ist. Die Schallwelle wird wieder paral¬ lel zum Lichtleiter geführt, in dem mindestens zwei Moden gleicher Pola isation ausbreitungsfähig sein müssen. Durch

Streuung des Lichtes an der akustischen Welle wird eine Mode in eine andere Mode konvertiert und dabei frequenz¬ verschoben. Nachteile dieses Verfahrens l iegen in der sehr schlechten Kopplung der Moden, der schlechten Trennung des nicht frequenzverschobenen und des frequenzverschobenen Lichtes und da in, daß der Lichtleiter mindestens 2-modig sein muß.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße akusto-optische Bauelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik den Vorteil , daß zum einen kein doppe 1 brechendes elektro-opt i sches Material verwendet werden kann (wie z. B. Oxinitrid auf Silizium- Wafern oder in Polymeren), um eine Frequenzverschiebung zu erzeugen. Hierdurch k nnen relativ bill ige Material ien verwendet werden, die weniger temperaturempfindl ich sind. Eine Aufweitung des in Lichtleitern geführten Lichts ist nicht erforderlich, und es wird bei geringer Leistung des akustischen Frequenzerzeugers eine hohe Effizienz erreicht. Die Probleme bei einer Auftrennung gebeugter Strahlenbündel treten nicht auf. Darüber hinaus wirkt das erfindungsgemäße f equenzverschiebende Bauelement gleichzeitig als optischer Koppler, so daß eine zusätzliche bzw. gleichzeitige Ver¬ wendung als optischer Schalter mögl ich ist. Da das erfin¬ dungsgemäße akusto-optische Bauelement ledigl ich zwei in bestimmter Weise angeordnete Lichtleiter mit unterschied¬ l ichen Ausbreitungskonstanten sowie einen akustischen Schall erzeuger benötigt, kann es einfach und kostengünstig herge¬ stellt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Bauelements mögl ich.

Zur optimalen Auskopplung beträgt die Differenz der Aus¬ breitungskonstanten (ß , ß . ) der beiden Lichtwellenleiter der Ausbreitungskonstanten K der akustischen Welle ( ß,

= ß ± K). Durch Ausschalten des Schallerzeugers oder Ver- a änderung von dessen Frequenz können Schaltfunktionen erzeugt werden, das heißt, die Uberkopplung von einem zum anderen Lichtleiter unterdrückt werden.

Zur Erzeugung der Differenz der Ausbreitungskonstanten der Lichtwellenleiter können unterschiedliche Dimensionie¬ rungen derselben und/oder unterschiedliche Materialien derselben und/oder unterschiedliche Moden der Lichtwellen¬ führung vorgesehen sein. Dabei können beispielsweise zur unterschiedl ichen Dimensionierung zweckmäßigerweise unter¬ schiedliche Breiten und/oder Höhen der Lichtwellenleiter vorgesehen sein.

Der Schallerzeuger ist zweckmäßigerweise zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen vorgesehen und als inter- digitaler elektroakustischer Wandler ausgebildet, der in relativ einfacher Weise z.B. durch Aufdampfen oder Bedrucken der Oberfläche des Bauelements gebildet werden kann.

Der Schallerzeuger ist in Verlängerung des Kopplungsbereichs zwischen den beiden Wellenleitern angeordnet, so daß eine einfache und leicht real isierbare Struktur vorliegt.

Der Schal 1 erzeuger und der daneben angeordnete Kopplungs¬ bereich sind in der L ngsrichtung auf wenigstens einer Seite von einem Schal 1 absorber begrenzt, um eine unkontrol¬ l ierte Schal 1 ausdehnung in Bereichen zu verhindern, wo diese unerwünscht ist.

Weiterhin sind in vorteil after Weise zu beiden Seiten des Kopplungsbereichs die seitl iche Ausbreitung der akusti-

sehen Wellen verhindernde Begrenzer angeordnet, die einen akustischen Wellenleiter bilden, und dadurch kann die die elekt ische Leistung des Schallerzeugers reduziert bzw. die Schal 1 e i stung im Kopplungsbereich erhöht werden.

Ein Au sführungsbe i spi el ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch das akusto-optische Bauelement in der Draufsicht.

Auf einem piezoelektrischen Substrat 10 sind zwei Lichtwellen leiter 11,12 mit unterschiedl ichen Ausbreitungskonstanten ß und ß, angeordnet. Im Ausführungsbeispiel werden die unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten durch unterschied¬ l iche Breiten der Lichtwellenleiter 11,12 erreicht, jedoch können auch andere unterschiedliche Di ensionierungen, wie z.B. unterschiedliche Höhen, unterschiedliche Material i¬ en und/oder die Verwendung unterschiedlicher Moden der Lichtausbreitung, eingesetzt werden. In einem Kopplungs¬ bereich 13 sind die beiden Lichtwellenleiter 11,12 einander über eine bestimmte Strecke so angenähert, daß sich die Felder der beiden Moden a und b des Lichts in den beiden Lichtwellenleitern 11, 12 gut genug überlappen. Hierdurch wird der Koppelfaktor K. des so gebildeten R i chtkoppl ers ungleich Null . Ein in L ngsrichtung zum Kopplungsbereich 13 zwischen den beiden Lichtwellenleitern 11,12 angeordne¬ ter Schallerzeuger 14 für akustische Wellen ist als inter¬ digitaler e lektroakust i scher Wandler ausgebildet, wie er im eingangs genannten Stand der Technik näher beschrieben ist. Ein derartiger Schal 1 erzeuger 14 besteht aus zwei ineinander verzahnten Elektroden 15,16, wobei Zungen der beiden verzahnten Elektroden 15,16 parallel nebeneinander angeordnet sind. Werden Anschlüsse 17,18 dieser Elektroden 15,16 mit einer Wechselspannung beaufschlagt, so wird durch El ektrostr i kt i on des piezoelektrischen Substrats oder einer aufgebrachten Schicht eine sich in L ngsrichtung ausbrei-

tende Schallwelle 18 mit einer entsprechenden Frequenz erzeugt. Diese Schallwelle erstreckt sich über den Kopplungs¬ bereich 13 und wird in L ngsrichtung am dem Schallerzeuger 14 gegenüberliegenden Endbereich des Kopplungsbereichs 13 durch einen Schallabsorber 20 begrenzt. An der gegenüber¬ l iegenden Seite des Schallerzeugers 14 ist ein weiterer Schal 1 absorber 20' angeordnet. Durch die Begrenzer 21,22 wird im Kopplungsbereich 13 ein akustischer Wellenleiter gebildet. Dies fü rt zu einer energetisch konzentrierteren akustischen Welle (Ob ^' erflächenwe 11 e ) im Kopplungsbereich 13 und verhindert eine seitliche Ausbreitung der akustischen Wel le.

Über den Lichtwellenleitern 11,12 kann in bekannter Weise noch eine Isol ierschicht angeordnet sein. Der Schallerzeuger 14, die Schall absorber 20,20' und die akustischen Wellen¬ leiter 21,22 können auch auf dieser Isoliersc icht angeord¬ net sein, so daß sie sich in der Draufsicht mit den Licht¬ wellenleitern überlappen können. Wenn diese Isolierschicht als piezoelektrische Schicht ausgebildet ist, kann das Substrat 10 auch aus einem nicht piezoelektrischen Material bestehen.

In einer typischen beispielsweisen Dimensionierung kann der Abstand zwischen den beiden Lichtwellenleitern im Kopp¬ lungsbereich 13 den Wert 10 u und im übrigen den zehnfachen Wert aufweisen. Die Länge des Kopplungsbereichs beträgt einige Mi 11 imeter , und die Breite der Lichtwellenleiter 11 und 12 beträgt 3 bzw. 10 μ. Variationen dieser Werte sind selbstverständlich nicht zuletzt in Abhängigkeit der verwendeten Lichtwellenlängen möglich, wobei insbesondere Laserlicht, z. B. eine Laserdiode, eingesetzt wi d.

Das Licht im Lichtwellenleiter 11 wird in der Mode a (M ) mit der Ausbreitungskonstanten ß und der Kreisfrequenz

ω geführt. Im Lichtwellenleiter 12 wird das Licht in a der Mode b mit der unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten üf. und der Kre i sfrequenz ω _b geführt. Die akustische Ober¬ flächenwelle 18 hat eine Ausbreitungskonstante K und eine Kreisfrequenz Ω. Die Moden a und b und die akustische Welle 19 breiten sich im Wechselwirkungsbereich, also im Kopp¬ lungsbereich 13, kollinear aus. Da die Ausbreitungskonstanten der Moden a und b unterschiedl ich sind, ist bei richtiger Wahl der Koppellänge L, also der L nge des Kopplungsbereichs

13 und des Koppe 1 abstandes , also dem Abstand der Lichtwellen¬ leiter im Koppelbereich 13 und damit des Koppe 1 faktors

K, ohne die akustische Welle die Konversion von Mode a zu Mode b, also vom Lichtwellenleiter 11 zum Lichtwellen¬ leiter 12 und umgekehrt, nahezu Null .

Wird ein Lichtstrahl der Mode a gemäß der Figur in den Lichtwellenleiter 11 eingestrahlt und ist der Schal 1 erzeuger

14 eingeschaltet, so werden die Photonen der Mode a an den Phononen der akustischen Welle gestreut (Brillouin- Streuung). Die gestreute Welle hat die Ausbreitungskonstan¬ te ff ± f ( + : ein Phonon der akustischen Welle wird ab- a sorbiert, -: ein Phonon der akustischen Welle wird freige¬ setzt). Stimmt diese Ausbreitungskonstante mit der Aus¬ brei tung skonstanten der Mode b des Lichtwellenleiters 12 überein (Phasenanpassung), so gilt:

ß _h = ß b a K

Die gestreute Welle wird in die Mode b konvertiert. Die gestreute Welle wird nur in dem Teil der Mode a erzeugt, der mit dem ichtwellenleiter 12 überlappt, also im Kopp¬ lungsbereich, denn nur dort kann sich diese Welle ausbreiten Am Ausgang des Lic twellenleiters 11 liegt also die unge- streute Welle a vor, und am Ausgang des Lichtwellenleiters 12 l iegt nun die Mode b vor, die die gleiche Ausbreitungs-

konstante und Frequenz wie die gestreute Welle hat. Durch die Streuung der Welle a an der akustischen Welle wird die Frequenz verschoben. Die Frequenz der Welle b ist damit

ω , = ω ± Ω b a

Das Licht der Mode b im Lichtwellenleiter 12 ist also fre¬ quenzverschoben. Dies ergibt sich konsequenterweise aus der Anwendung des Impuls- und Energiesatzes bei der Streu¬ ung (Stoß) von Photonen und Phononen. Die Effizienz der Konversion der Mode a in die frequenzverschobene Mode b l iegt bei richtiger Wahl der geometrischen Dimensionen ( Koppel länge , Koppel abstand) nahe bei 100 %.

Die geometrischen Dimensionen können dabei z.B. so gewählt werden, daß für dne Koppel abstand und den daraus resultie¬ renden Koppelfaktor a und die Koppellänge L gilt:

(2m. 1 ^{) •} IKl

2 /(2 m ₂ ) (2 m ₁₊ l) ²

/ (2-m ₂ ) ² - (2-m- _^ +l) ² ιK

mit rr > m, >. 0, m, , m _? ganze Zahlen.

Das Verhältnis von nicht frequenzverschobenem Licht im Lichtwellenleiter 12 zu frequenzverschobenem Licht im Licht' Wellenleiter 12 beträgt damit ungefähr:

<!________ . „ . _*)' + (.--_____ .„ . π.Ü) ¹

2 * 2-rr^+l ^L

wobei 6κ und δ L die Abweichung von *. bzw. L von den oben genannten idealen Werten angeben. Im idealen Fall wird

also nur frequenzverschobenes Licht in den Lichtwellenleiter 12 gekoppe 1 t .

Im Gegensatz zum dargestellten Ausführungsbeispiel könnte auch Licht der Mode b in den Lichtwellenleiter 12 einge¬ speist werden. Nun ergibt sich im Kopplungsbereich eine Streuung zum Lichtwellenleiter 11 und eine Konversion in die Mode a. Während beim dargestellten Beispiel (Einspeisung von Licht der Mode a in den Lichtwellenleiter 11) eine F equenzerhöhung um den Wert Ω zu beobachten ist, kann nunmehr eine Frequenzerniedrigung um den Wert Ω festgestellt werden. Wird in Gegenrichtung Licht in die Lichtwellenleiter 11 bzw. 12 eingespeist, so kehren sich die Verhältnisse um .

Die dargestellte Anordnung kann auch als optischer Schalter mit Schaltzeiten in der Größenordnung von 10 μs verwendet werden, indem bei eingeschaltetem Schal 1 erzeuger ein Licht¬ übergang in den jeweils anderen Lichtwellenleiter erfolgt, im ausgeschalteten Zustand des Schallerzeugers 18 dagegen nicht. Außerdem kann durch das dargestellte Bauelement - wie beschrieben - nicht nur eine Freqenzversch iebung , sondern gleichzeitig auch eine Strahlenteilung real isiert werden, wie sie beispielsweise in einem Heterodyn-Inter- ferometer benötigt werden.

Hierbei müssen der Koppe 1 abstand und damit der Koppelfaktor K und die Koppellänge L dem Strahlteilungsverh ltnis ent¬ sprechend gewählt werden. Dies kann man z.B. erreichen, indem man in den oben genannten Gleichungen denTer (2*m ₁ +l) durch den Termin (2 ^« m,+2*arcsin {XöT ) / π) ersetzt, α ist dabei das Verhältnis der Lichtleistung am Ausgang des Licht- Wellenleite s 12 zur Lichtleistung am Eingang des Licht¬ well enle iters 11.

Außerdem kann die dargestellte Anordnung auch als variabler Strahlteiler verwendet werden, indem man die akustische Frequnz variiert und damit von der idealen Gleichheit ß. = ß ± (K variabel) abweicht. Durch diese Variation der akustischen Frequenz können beliebige Strahlteilungs¬ verhältnisse eingestellt werden.