DE4423187A1

DE4423187A1 - Abstimmbare optische Anordnung

Info

Publication number: DE4423187A1
Application number: DE4423187A
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Weber
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1994-07-01
Publication date: 1995-01-12
Also published as: SE501495C2; JPH0758392A; GB9413329D0; SE9302294L; CA2126882C; CA2126882A1; FR2708351B1; GB2280040A; SE9302294D0; JP3811770B2; FR2708351A1; GB2280040B; US5666374A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine abstimmbare optische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der modernen Kommunikation, Telekommunikation, Datenkommunikation etc., jedoch auch bei anderen Systemen ist das Bedürfnis nach abstimmbaren Einrichtungen groß. Die Kapazität von bereits bestehenden, wie auch von zukünftigen optischen Faserleitungen, kann durch Wellenlängenmultiplexen (wavelength division multiplexing = WDM) erhöht werden. Systeme, die WDM einsetzen, können die große Wellenlängendomäne (oder Frequenzdomäne) verwenden, die in einer optischen Faser zur Verfügung steht, indem unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlichen Kanälen zugeordnet werden. Es ist wichtig, daß das System so flexibel wie möglich ist. Ein wichtiger Faktor ist der, daß die lasernde Wellenlänge (d. h. die Wellenlänge, bei welcher der Lasereffekt auftritt) in einer integrierten Einrichtung ausgewählt wird, und daß es möglich ist, beispielsweise eine genaue Auswahl derjenigen Wellenlängen zu erzielen, die von dem System benötigt werden. Eine Art eines Wellenlängenmultiplexsystems umfaßt die sogenannten High- Density-Wellenlängenmultiplexsysteme. Grundsätzlich ist dies für eine Reihe von unterschiedlichen Anwendungen in einem System nur einer Art, wie auch in sehr unterschiedlichen Systemen, wichtig.

Es sind eine Reihe von Einrichtungen bekannt, die auf die eine oder andere Weise abstimmbar sind. Beispiele von abstimmbaren Einrichtungen sind abstimmbare Laser und abstimmbare Filter. Beispielsweise ist es bei Kommunikationssystemen mit kohärentem Wellenlängenmultiplexen vorteilhaft, Einrichtungen zu verwenden, die abstimmbar sind, wodurch die Systeme flexibler werden. Beispielsweise ist es nützlich, Laser zu haben, die auf die Wellenlängen von verschiedenen Kanälen abgestimmt werden können, anstatt einen Laser mit einer bestimmten Wellenlänge für jeden Kanal zu haben. Es ist vorteilhaft, zumindest einen bestimmten kontinuierlichen Abstimmbereich um jeden Kanal herum zu besitzen, um die Wellenlänge präzise einstellen zu können.

Was die Laser betrifft, können abstimmbare Laser grundsätzlich in drei unterschiedliche Kategorien von abstimmbaren Halbleiterlasern eingeteilt werden.

Die erste Kategorie betrifft die sogenannten Laser mit äußerem Hohlraum.

Für eine Reihe von Anwendungen sind diese jedoch nicht sehr praktisch. Laser mit äußerem Hohlraum sind beispielsweise in der EP-A-525 752 und in der EP-A-242 445 beschrieben.

Die zweite Kategorie von abstimmbaren Halbleiterlasern verwendet abstimmbare Bragg-Beugungsgitter. In T.L. Koch und U. Koren, "Semiconductor lasers for coherent optical fibre communications", J. Lightwave Technol., Vol. B (3), März 1990, Seiten 274-293, sind Laser mit verteilten Bragg- Reflektoren (DBR-Laser) mit zwei Abschnitten und drei Abschnitten gezeigt. Die gleiche Literaturstelle beschreibt ferner sogenannte DFB-Laser (multisection distributed feedback). Weitere Beispiele von abstimmbaren Lasern der zweiten Kategorie sind in V. Jayaraman et al, "Demonstration of broadband tunability in a semiconductor laser using sampled gratings", Appl. Phys. Lett., Vol. 60 (19), 11. Mai 1992, Seiten 2321-2323; V. Jayaraman et al, "Very wide tuning range in a sampled grating DBR laser", 13. IEEE International laser conference, 21.-25. September 1992, Post-Deadline Paper 11; Y. Tohmori et al, "Ultrawide wavelength tuning with single longitudinal mode by super structure grating (SSG) DBR laser", 13. International laser conference, 21.-25. September 1992, Beitrag 0-6. Diese Laser besitzen den Nachteil, daß sie begrenzte Abstimmbereiche besitzen.

Eine dritte Kategorie von abstimmbaren Halbleiterlasern umfaßt die sogenannten C³-Laser, die ebenfalls in der oben beschriebenen ersten Literaturstelle T.L. Koch und U. Koren, "Semiconductor lasers for coherent optical fibre communications", J. Lightwave Technol., Vol. 8 (3), März 1990, Seiten 274-293, beschrieben sind, sowie der sogenannte Y-Junctionlaser, der in M. Schilling et al, "Integrated interferometric injection laser: Novel fast and broadband tunable monolithic light source", IEEE J. Quantum Electron., Vol. 27 (6), Juni 1991, Seiten 1616-1624 beschrieben ist. Keine der beschriebenen Einrichtungen arbeitet jedoch vollständig zufriedenstellend. Beispielsweise ist der sogenannte C³-Laser schwierig zu reproduzieren und auch schwierig zu steuern. Auch die Y-Junctionlaser sind schwierig zu steuern. Eine abstimmbare Lasereinrichtung ist der sogenannte MAGIC-Laser, der in J.B.D. Soole, K. Poguntke, A. Scherer, H.P. LeBlanc, C. Chang-Hasnain, J.R. Hayes, C. Caneau, R. Bhat und M.A. Koza, "Multistripe array grating integrated cavity (MAGIC) laser: a new semiconductor laser for WDM applications", Electronics Lett., Vol. 28 (19), 10. Sept. 1992, Seiten 1805-1807 beschrieben ist. Darin wird die lasernde Wellenlänge in einer integrierten Einrichtung durch Verwendung eines Beugungsgitters in einer Rowland- Kreisanordnung als einer der Spiegel ausgewählt. Dies bildet gewissermaßen eine integrierte Version eines oben beschriebenen Lasers mit externem Hohlraum, bei dem jedoch der externe Hohlraum durch einen plattenförmigen Wellenleiter ersetzt ist, der das Licht in einer Richtung begrenzt, jedoch ermöglicht, daß das Licht in der Querrichtung gebrochen wird. Der Halbleiterlaser wird durch monolithische Integration eines Feldes aus aktiven Streifen für den passiven planaren Wellenleiter gebildet, die ein geätztes Beugungsgitter tragen. Die Laseremission tritt an unterschiedlichen Streifen bei verschiedenen, genau festgelegten Wellenlängen auf. Auf diese Weise kann die lasernde Wellenlänge genau an dem gewünschten Zustand eingestellt werden. Verglichen mit dem oben beschriebenen Laser mit sogenanntem äußerem Hohlraum werden aktive Verstärkungsstreifen an unterschiedlichen Positionen in Form eines Feldes in Kombination mit einem fest integrierten Beugungsgitter verwendet, anstelle daß ein einzelnes aktives Element und ein rotierendes Beugungsgitter verwendet werden. Das Beugungsgitter wird durch Ätzen des plattenförmigen Wellenleiters hergestellt und es ist an die Position der freiliegenden Seitenwand angepaßt. Jedoch kann das Lasern nur bei einer bestimmten Zahl von Wellenlängen auftreten, die gleich der Anzahl der Wellenleiterstreifen ist, und ferner erscheint das Ausgangssignal für jede Wellenlänge bei einem anderen Streifen, was nicht sehr praktisch ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine abstimmbare Einrichtung zu schaffen, die leicht abgestimmt werden kann, die leicht gesteuert und reproduziert werden kann und die für unterschiedliche Funktionen und unterschiedliche Systeme leicht anwendbar ist. Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, deren Abstimmbereich groß ist und die billig und leicht herzustellen und zu handhaben ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine abstimmbare Einrichtung zu schaffen, bei der im Falle eines Lasers das Lasern kontinuierlich hervorgerufen werden kann, und nicht nur bei einer bestimmten Anzahl von Wellenlängen, und eine Einrichtung und eine Anordnung zu schaffen, bei denen lediglich ein Verstärkungsstreifen erforderlich ist, so daß das Ausgangssignal für eine Reihe von Wellenlängen an ein und demselben Streifen auftritt.

Diese und weitere Aufgaben werden durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung näher ersichtlich. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.

Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen kann die Beugungsgitteranordnung eines, zwei oder mehrere feste Beugungsgitter aufweisen. Die Einrichtung kann auch eine Spiegelanordnung aufweisen, die gemäß einer Ausbildung vor dem variablen Prisma angeordnet ist, um auf dieses einen einfallenden Strahl zu leiten. Sie kann auch nach einem letzten Beugungsgitter angeordnet sein, um den austretenden Strahl auf ein zweites Element oder zwischen unterschiedliche Beugungsgitter zu richten. Es ist vorteilhaft, die Einrichtung oder Anordnung mit einem Wellenlängenmultiplexsystem anzuwenden.

Nach den bevorzugten Ausführungsformen kann die Einrichtung oder Anordnung zum Abstimmen der Wellenlänge verschiedener Kanäle kontinuierlich in einem Bereich um jeden Kanal herum verwendet werden, um die Wellenlänge genau einzustellen, oder kontinuierlich für den gesamten Wellenlängenbereich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Prisma mit variablem Index, das einen variablen Brechungsindex besitzt, durch Verändern des Brechungsindex eines Bereichs des plattenförmigen Wellenleiters hergestellt. Vorzugsweise sind die Grenzen dieses Bereichs, an denen der Strahl in den Bereich eintritt und diesen verläßt, geradlinig. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel hat das Prisma mit variablem Index beispielsweise die Form eines Dreiecks.

Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen kann der Index eines Bereichs, beispielsweise durch Ladungsträgerinjektion, Ladungsträgerverarmung oder durch Verwendung einer sogenannten BRAQWET-Struktur oder durch Temperaturabstimmen oder durch Anwendung des quantum confinement-Starkeffekts, verändert werden. Nach einer bestimmten Ausführungsform umfaßt die Einrichtung einen Laser. Vorzugsweise umfaßt das erste Element einen aktiven Verstärkungsstreifen. Insbesondere kann die Beugungsgitteranordnung eines oder mehrere feste Beugungsgitter umfassen, wobei durch Verändern des Einfallswinkels auf die Gitter die Wellenlänge des zurückreflektierten Lichts verändert werden kann, wobei die Wellenlängenänderung Δλ für kleine Ablenkwinkel ψ ungefähr

ist. Bei dieser Ausführungsform muß das Prisma nahe bei dem Beugungsgitter angeordnet werden, um den größten Abstimmbereich zu bekommen. Wenn jedoch eine bessere Wellenlängenselektivität des reflektierten Strahls gewünscht wird, muß eine große Zahl von Beugungsperioden abgedeckt werden. Dies würde bei der oben beschriebenen Ausführungsform eine größere Prismengröße erfordern, was manchmal unpassend ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen umfaßt die Beugungsgitteranordnung mehrere Beugungsgitter, wobei die Wellenlänge, welche das rückreflektierte Licht verändert, gegeben ist durch

Durch die Verwendung von mehreren Beugungsgittern ist es möglich, die Strahlbreite zu verringern und somit auch die Größe des Prismas zu verringern, während dennoch eine gute Wellenlängenauflösung beibehalten wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Einrichtung einen Filter, insbesondere einen Reflexionsfilter. Gemäß einer Ausführungsform davon kann das erste Element ein passiver Wellenleiter sein, jedoch kann das erste Element auch gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Verstärkungsstreifen sein, der von dem zweiten Verstärkungsstreifen getrennt ist, der einen Eingang bzw. einen Ausgang bildet, wobei das Eingangs- und Ausgangsende der Verstärkungsstreifen eine Antireflexschicht aufweisen. Vorzugsweise sind der Eingang und der Ausgang voneinander getrennt und insbesondere bilden das erste Element und das zweite Element unterschiedliche Wellenleiter oder Verstärkungsstreifen.

Diese und weitere Ausführungsformen sind durch die beigefügten Unteransprüche gegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele, die den Schutzumfang jedoch nicht beschränken, und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:

Fig. 1 einen abstimmbaren Laser mit einem Beugungsgitter zeigt;

Fig. 2 einen abstimmbaren Laser mit mehreren Beugungsgittern zeigt;

Fig. 3 einen einfachen abstimmbaren (Reflexions-)Filter zeigt; und

Fig. 4 einen abstimmbaren (Transmissions-)Filter mit mehreren Beugungsgittern zeigt.

Fig. 1 zeigt einen abstimmbaren Laser 10, der ein erstes aktives Element 1a in Form eines Verstärkungsstreifens aufweist. Wenn der Verstärkungsstreifen 1a beispielsweise injektionsgepumpt ist, tritt das Lasern (d. h. ein Lasereffekt) auf, wobei die Laserfrequenz durch die Veränderung bestimmt wird, die der Einfallswinkel des Strahls durch das Beugungsgitter erfährt, d. h. durch die Veränderung der Wellenlänge des rückreflektierten Lichts. Zwischen dem Verstärkungsstreifen 1a und einem festen Beugungsgitter 5a, das in diesem Fall die Beugungsgitteranordnung 2a bildet, ist ein sogenanntes variables Prisma 3a angeordnet. Dieses variable Prisma 3a bildet das wellenlängenabstimmbare Element mit einem variablen Brechungsindex. Aufgrund seines variablen Brechungsindex ist der Ablenkungswinkel des auf das Beugungsgitter 5 einfallenden Strahls variabel.

Fig. 1 zeigt eine einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßes Konzeptes. Gemäß dieser Ausführungsform mit einer Beugungsgitteranordnung 2, die lediglich ein einziges Beugungsgitter 5 aufweist, ist die Wellenlängenänderung für kleine Ablenkwinkel ψ

Hierbei ist n der Brechungsindex des Ausbreitungsmediums, m ist die Ordnung der Brechung des Beugungsgitters und d ist die Beugungsperiode. Die Abstände P, D sind in der Figur dargestellt, d. h. P ist der Abstand zwischen dem Eingang des Wellenleiters bis zur Mitte des Prismas, und D ist der Abstand zwischen dem Eingang des Wellenleiters und dem Beugungsgitter G und G₂, wie in Fig. 1 definiert. Bei dieser bestimmten Ausführungsform muß jedoch das Prisma 3a nahe bei dem Beugungsgitter 5 angeordnet werden, um einen Abstimmbereich zu erhalten, der so groß wie möglich ist. Die Fig. 1 und 2 legen Prismenwinkel fest und, wie oben erwähnt, bildet ψ den Ablenkwinkel, wohingegen R1 und R2 die abgelenkten Winkel bezeichnen, d. h. mit einer dem Prisma auferlegten Indexveränderung, und den nicht-abgelenkten Strahl, d. h. ohne induzierte Veränderungen des Index in dem Prisma, wie in Fig. 1 festgelegt, welche der Strahl mit der Senkrechten auf das Beugungsgitter 5 bildet. Wenn jedoch eine bessere Wellenlängenauflösung des reflektierten Strahls erforderlich ist, muß der Strahl eine Vielzahl von Beugungsperioden abdecken. Um dies zu erreichen, wäre ein großes Prisma erforderlich, und dies kann in manchen Fällen, beispielsweise aufgrund des zur Verfügung stehenden Platzes, aufgrund Herstellungsverfahren, etc. unpassend sein.

Eine Ausführungsform, welche diese Komplikation vermeidet, ist in Fig. 2 gezeigt. Die Lasereinrichtung 20 von Fig. 2 umfaßt eine Beugungsgitteranordnung 2b, die mehrere Beugungsgitter umfaßt, in diesem Fall zwei Beugungsgitter 5b, 5b′. Durch die Verwendung von mehreren Beugungsgittern (oder zwei Beugungsgittern 5b, 5b′) ist es möglich, die Strahlbreite zu verringern und somit auch die Größe des Prismas zu verringern, während eine gute Wellenlängenauflösung beibehalten wird. Ein Spiegel 6b ist zwischen dem Verstärkungsstreifen 1b angeordnet. Der einfallende Strahl wird durch den Spiegel 6b auf das variable Prisma 3b gerichtet, wo der Strahl abgelenkt wird, wonach er auf dem Beugungsgitter 5b und dem Beugungsgitter 5b′ auftrifft. R1, R2 und R3 bilden die Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Senkrechten auf die Beugungsgitter 5b bzw. 5b′. In diesem Fall ist die Wellenlängenänderung Δλ gegeben durch

wobei m_i die Ordnungen der Brechung der Gitter sind und d_i die Perioden sind. Die Winkel wurden bereits oben und in der Figur definiert.

Der Spiegel und die Beugungsgitter können nach bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise gemäß dem Verfahren, das beschrieben ist in J.B.D. Soole, K. Poguntke, A. Scherer, H.P. LeBlanc, O. Chang-Hasnan, J.R. Hayes, C. Caneau, R. Bhat und M.A. Koza, "Multistripe array grating integrated cavity (MAGIC) laser: a new semiconductor laser for WDM applications", Electronics Lett., Vol. 28 (19), 10. Sept. 1992, Seiten 1805-1807. Der Spiegel und die Beugungsgitter werden in diesem Fall durch Verwendung von Standardlithographie oder Elektronenstrahllithographie festgelegt, und reaktives Ionenstrahlätzen wird eingesetzt, um den plattenförmigen Wellenleiter zu ätzen. Eine Metallschicht, beispielsweise Al, wird an der Seitenwand abgelagert, um eine hohe Reflektivität zu erzielen. Der Verstärkungsstreifen kann durch bekannte Standardlaserdiodentechniken hergestellt werden. Hinsichtlich der Abmessungen der Einrichtung (S) werden einige Werte lediglich zur besseren Darstellung gegeben, und natürlich ist eine Vielzahl von anderen Möglichkeiten und unterschiedlichen Größen möglich. Jedoch sind gemäß einer Ausführungsform die Verstärkungsstreifen 1a, 1b zwischen 200 µm und 1 mm lang und besitzen eine Breite von ca. 1-5 µm. Ein einfacher Laser 10 kann einen Abstand zwischen dem Verstärkungsstreifen 1a und dem Beugungsgitter 2a von ca. 1 mm oder mehr besitzen und die Strahlbreite an dem Beugungsgitter 5 beträgt typischerweise einige hundert Mikrometer. Dies bedeutet, daß die gesamte Einrichtung 10 einige Millimeter lang ist und ca. 500 µm breit ist.

Bei der zweiten Ausführungsform des Lasers 20 ist der Abstand zwischen den Beugungsgittern und zwischen dem ersten Beugungsgitter 5b und dem zweiten Beugungsgitter 5b′ und dem Spiegel in der Größenordnung von 300-600 µm. In diesem Fall könnte die gesamte Einrichtung weniger als 1 mm lang sein und eine Breite von ca. 400 µm besitzen.

In Fig. 3 ist eine weitere Alternative der Erfindung gezeigt, wobei die Einrichtung einen abstimmbaren Reflexionsfilter 30 bildet. Diese Anordnung ähnelt der Anordnung von Fig. 1, wobei das erste Element die Form eines Verstärkungsstreifens 1c besitzt, der eine Antireflexbeschichtung 11 an seinem äußeren Ende besitzt. In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist der Ausgang von dem Eingang getrennt und der Strahl wird in einen anderen Wellenleiter, das zweite Element 1c′, reflektiert. Anstelle eines ersten und zweiten Elements 1c; 1c′ können diese durch passive Wellenleiter ersetzt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform (nicht gezeigt) können die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Einrichtungen geändert werden, um abstimmbare Reflexionsfilter durch Auftragen einer Antireflexbeschichtung auf das Ausgangsende des jeweiligen Verstärkungsstreifens zu bilden. Der Verstärkungsstreifen kann auf diese Weise dazu verwendet werden, die Verluste zu kompensieren (während man noch unterhalb der Schwelle bleibt) oder er kann durch einen passiven Wellenleiter ersetzt werden. Es kann gezeigt werden, daß das Durchlaßband des Filters in etwa ein Gauß′sches ist.

Fig. 4 zeigt einen Filter mit mehreren Beugungsgittern, der eine Beugungsgitteranordnung 2d mit einem ersten Beugungsgitter und einem zweiten Beugungsgitter 5d, 5d′ umfaßt. Sie umfaßt auch zwei Spiegelanordnungen, einen ersten Spiegel, der den einfallenden Lichtstrahl auf das variable Prisma 3d richtet, und einen zweiten Spiegel, der den Strahl von dem zweiten Gitter 5d′ auf das zweite Element 1d′ richtet. Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen stellen somit zwei Ausführungsbeispiele dar, bei denen der Strahl in einen anderen Wellenleiter reflektiert wird. Das Prinzip ist auch das gleiche wie bei dem abstimmbaren Laser, jedoch mit dem Unterschied, daß anstelle von Rückreflexionen wie im Falle des Lasers der Strahl beispielsweise in einen anderen Wellenleiter reflektiert wird.

Die Prismen mit variablem Index 3a; 3b; 3c; 3d können auf vielerlei Weise hergestellt werden. Grundsätzlich werden sie durch Veränderung des Brechungsindex eines Bereichs des plattenförmigen Wellenleiters hergestellt. Die Grenzen, an denen der Strahl in den Bereich eintritt und diesen verläßt, müssen geradlinig sein, jedoch ist im übrigen die Form und Ausbildung des Bereichs nicht wichtig. Eine vorteilhafte Form ist die eines Dreiecks, jedoch sind natürlich auch andere Formen und Ausbildungen möglich, solange die Grenzlinien geradlinig verlaufen. Im Falle eines Dreiecks, d. h. der in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform und mit den Prismenwinkeln Φ1 und Φ2 ist der Ablenkungswinkel ψ ungefähr gegeben durch

wobei n der Brechungsindex außerhalb des Prismas und (n+Δn) der Brechungsindex innerhalb des Prismas ist. Diese Näherung ist für kleine Δn ausreichend.

Der Brechungsindex in einem Bereich kann auf unterschiedliche Weise durch Verwendung der an sich bekannten Verfahren verändert werden. Gemäß einem Verfahren ist es möglich, Ladungsträgerinjektion zu verwenden, wobei Elektronen und Löcher durch positives Vorspannen einer p-i-n- heterostrukturellen Veränderung des Brechungsindex injiziert werden. Bei InGaAsP/Inp ist es auch möglich, die Veränderungen des Brechungsindex in der Größenordnung von -0,02 oder mehr für injizierte Ladungsträgerdichten in der Größenordnung von 2×10¹⁸ cm^-3 zu erzielen. Dieses Verfahren ist ferner beschrieben in J.-P. Weber, "Optimization of the carrier-induced effective index change in InGaAsP/InP waveguides - Application to tunable Bragg filters", eingereicht zur Veröffentlichung in IEEE J. Quantum Electronics. Mit einem effektiven Index in der Größenordnung von 3,25, wird Δn/n ca. -6,1×10^-3, wobei dies die relative Indexveränderung ist. Für kleine Indexveränderungen sind die Ablenkwinkel ψ proportional dazu und deshalb ist dies eine Messung der Funktion des Verfahrens.

Gemäß einem weiteren Verfahren kann die sogenannte Ladungsträgerverarmung verwendet werden. Hierbei wird die gleiche p-i-n Struktur wie bei der Ladungsträgerinjektion (in InGaAsP/InP) verwendet, jedoch mit einem dotierten Material, das eine kleinere Bandlücke aufweist, ist es möglich, Ladungsträger durch umgekehrtes Vorspannen der Diodenstruktur herauszudrängen. Vernünftige Dotierungspegel sind maximal in der Größenordnung von 10¹⁸ cm^-3. Auf diese Weise würde eine Indexveränderung des Materials von ca. +0,01 erzielt werden, was eine effektive Indexveränderung von ca. +0,005 geben würde. Wenn der effektive Index sich in der Größenordnung von 3,25 befindet, ist Δn/n ca. +1,5×10^-3.

Gemäß einer weiteren Methode ist es möglich, sogenannte BRAQWETS (Blockaded Reservoir And Quantum-Well Electron- Transfer Structures) zu verwenden, die Majoritätsladungsträgerelemente (hier Elektronen) sind. Dieses Verfahren ist ferner beschrieben in M.K. Chin, T.Y. Chang und W.S.C. Chang, "Generalized Blockaded Reservoir And Quantum-Well Electron-Transfer Structures (BRAQWETS): Modeling and design considerations for high performance waveguide phase modulators", IEEE J. Quantum Electron., Vol. 28(11), November 1992, Seiten 2596-2611. Mit dem gleichen effektiven Index wie oben wird Δn/n ca. +9,2×10^-4.

Nach einem weiteren Verfahren ist es möglich, Temperaturabstimmung in InP zu verwenden und dadurch eine Indexänderung zu erzielen. In J.-P. Weber, "Optimization of the carrier-induced effective index change in InGaAsP/InP waveguides - Application to tunable Bragg filters", eingereicht zur Veröffentlichung in IEEE J. Quantum Electronics, bekommen wir ∂n/∂T=1,81×10^-4 [K^-1] für InP bei ca. 300 K und ∂n/∂T=3,53×10^-4 [K^-1] für 1,42 µm Bandlücke InGaAsP. In der Praxis kann dies durch Anordnen eines Heizwiderstands auf der Oberseite des plattenförmigen Wellenleiters (mit einer dielektrischen Schicht als elektrischer Isolator) erfolgen. Wenn als Beispiel ein Wellenleiter mit 0,3 µm von 1,3 µm InGaAsP mit InP Mantelschichten genommen wird, ist die effektive Indexveränderung für einen Temperaturanstieg von 300 K auf 350 K ca. +0,01. Dies gibt wiederum einen effektiven Index in der Größenordnung von 3,25, wobei Δn/n≈3,1×10^-3 ist.

Gemäß einem weiteren Verfahren kann Temperaturabstimmung in SiO₂ verwendet werden. Anstatt daß ein Halbleitermaterial für alle Elemente verwendet wird, ist es möglich, eine Hybridherstellungstechnik mit nur einem Verstärkungsstreifen aus einem Halbleitermaterial und dem Rest aus SiO₂ zu verwenden. Das Abstimmen kann dann durch Veränderung der Temperatur mit einem Heizwiderstand auf der Oberseite des plattenförmigen Wellenleiters erzielt werden. Für SiO₂ ist ∂n/∂T=1×10^-5 [K^-1]. Somit beträgt bei einem Temperaturanstieg von 50 K der Anstieg des Brechungsindex ca. 5×10^-4. Der Brechungsindex ist ca. 1,47, N. Takato, T. Kominato, A. Sugita, K. Jinguji, H. Toba und M. Kawachi, "Silicabased integrated optic Mach-Zender multi/demultiplexer family with channel spacing of 0,01-250 nm", IEEE J. Selected Areas in Communications", Vol. 8(6), August 1990, Seiten 1120-1127, was ein Δn/n≈3,4×10^-4 ergibt.

Eine weitere Methode basiert auf dem Quantum-Confinement- Stark-Effekt. Die Verschiebung des Energieniveaus aufgrund des Stark-Effektes in quantum wells bewirkt Veränderungen des Brechungsindex. Diese Veränderungen sind eine Funktion des Abklingens des Niveaus, jedoch in der Größenordnung von 0,01 für ein elektrisches Feld von ca. 100 kV/cm für InGaAsP wells mit einem InP Substrat (vgl. J.E. Zucker, I. Bar-Joseph, B.I. Miller, U. Koren und D.S. Chemla, "Quaternary quantum wells for electro-optic intensity and phase modulation at 1,3 and 1,55 µm", Appl. Phys. Lett., Vol. 54 (1), 2. Januar 1989, Seiten 10-12). Dies trifft für Licht zu, das senkrecht auf die Schichten auftrifft. In einem Wellenleiter wird dies durch den Begrenzungsfaktor reduziert, so daß bestenfalls die Hälfte der Indexveränderung erwartet werden kann. Dies gibt somit Δn/n≈1,5×10^-3 (wiederum für einen Brechungsindex von 3,25). Dieser Effekt besitzt jedoch eine große Wellenlängenabhängigkeit, was Probleme verursachen könnte. Es gibt auch einen Elektro-Absorptionseffekt, der die Indexveränderung begleitet, jedoch verringert sich dieser wesentlich schneller mit dem Abklingen als dies die Indexveränderung tut.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern kann innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche frei verändert werden.

Claims

1. Abstimmbare optische Anordnung (10; 20; 30; 40) mit mindestens einem passiven oder aktiven Eingangselement (1a; 1b; 1c, 1c′; 1d, 1d′), einer integrierten Beugungsgitteranordnung (2a; 2b; 2c; 2d) innerhalb des Strahlenganges eines einfallenden Strahls, der abgestimmt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (10; 20; 30; 40) ferner eine Abstimmeinrichtung (3a; 3b; 3c; 3d) zum Steuern und Verändern des Einfallwinkels des Strahls umfaßt, der auf die Beugungsgitteranordnung (2a; 2b; 2c; 2d) auftrifft, wobei die Abstimmeinrichtung (3a; 3b; 3c; 3d) ein Prisma mit variablem Brechungsindex umfaßt, das zwischen dem ersten aktiven oder passiven Element (1a; 1b; 1c; 1d) und der Beugungsgitteranordnung (2a; 2b; 2c; 2d) angeordnet ist.

2. Abstimmbare Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen des einfallenden Lichtstrahls, die durch die Beugungsgitteranordnung (2a; 2b; 2c; 2d) rückreflektiert oder reflektiert werden, durch Veränderung des Einfallwinkels des Strahls auf die Beugungsgitteranordnung (2a; 2b; 2c; 2d) verändert werden.

3. Abstimmbare Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitteranordnung (2a; 2b; 2c; 2d) mindestens ein festes Beugungsgitter umfaßt.

4. Abstimmbare Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese mindestens eine Spiegelanordnung (6b; 6d, 6d′) umfaßt.

5. Abstimmbare Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung (6b; 6d) vor dem Prisma mit variablem Index (3b; 3d) angeordnet ist und den einfallenden Strahl auf das Prisma mit variablem Index (3b; 3d) richtet.

6. Abstimmbare Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einem Wellenlängenmultiplexsystem verwendet wird, das beispielsweise in der Telekommunikation oder Datenkommunikation verwendet wird.

7. Abstimmbare Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese zum Abstimmen der Wellenlängen unterschiedlicher Kanäle verwendet wird, entweder kontinuierlich in einem Bereich um jeden Kanal herum, um die Wellenlänge genau einzustellen, oder kontinuierlich über den gesamten Bereich der Wellenlängen.

8. Abstimmbare Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma mit variablem Index (3a; 3b; 3c; 3d), das einen variablen Brechungsindex besitzt, durch Verändern des Brechungsindex über einen Bereich eines plattenförmigen Wellenleiters hergestellt ist.

9. Abstimmbare Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen des Bereichs, in den der Strahl eintritt und den der Strahl verläßt, geradlinig verlaufen.

10. Abstimmbare Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma mit variablem Index (3a; 3b; 3c; 3d) die Form eines Dreiecks besitzt.

11. Abstimmbare Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Index eines Bereichs durch Ladungsträgerinjektion, Ladungsträgerverarmung oder durch Verwenden einer sogenannten BRAQWET-Struktur verändert wird.

12. Abstimmbare Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Indexveränderung durch Temperaturabstimmen oder durch den quantum confinement- Stark-Effekt oder eine andere geeignete Methode bewirkt wird.

13. Abstimmbare Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Laser (10; 20) aufweist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (1a; 1b) einen aktiven Verstärkungsstreifen umfaßt.

15. Abstimmbare Anordnung (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitteranordnung (2a) ein festes Beugungsgitter (5a) aufweist, wobei durch Verändern des Einfallswinkels auf das Beugungsgitter (5a) die Wellenlänge des rückreflektierten Lichts verändert wird, wobei die Wellenlängenänderung Δλ für kleine Ablenkungswinkel ψ ungefähr ist.

16. Abstimmbare Anordnung (20) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitteranordnung (2b) mehrere Beugungsgitter (5b, 5b′) aufweist, wobei die Veränderung der Wellenlänge des rückreflektierten Lichts gegeben ist durch

17. Abstimmbare Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Filter (30; 40) aufweist.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Reflexionsfilter (30) aufweist.

19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Transmissionsfilter (40) aufweist.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß diese ferner ein zweites Ausgangselement (1c′; 1d′) aufweist.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das erste Eingangselement (1c; 1d) ein passiver Wellenleiter ist.

22. Abstimmbare Anordnung (30) nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (1c) ein Verstärkungsstreifen ist, der von einem zweiten Verstärkungsstreifen (1a′) getrennt ist, der einen Ausgang bildet, wobei das Eingangsende und das Ausgangsende der Verstärkungsstreifen (1c, 1c′) eine Antireflexbeschichtung (11) aufweisen.

23. Abstimmbare Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang und der Ausgang voneinander getrennt sind.

24. Abstimmbare Anordnung (40) nach einem der Ansprüche 17 und 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der über eine erste Spiegelanordnung durch das erste Element (1d) einfallende Strahl über zumindest die Beugungsgitteranordnung (2d) in ein zweites Element (1d′) reflektiert wird, das einen separaten Wellenleiter bildet.