DE19610656A1 - Optische Mehrwege-Weiche mit elektrisch einstellbaren Photonenkristallen - Google Patents
Optische Mehrwege-Weiche mit elektrisch einstellbaren PhotonenkristallenInfo
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Description
Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet eine optische
Mehrwege-Weiche aus elektrisch einstellbaren Photonen-
Kristallen.
Photonen-Kristalle mit Bandlücken sind bekannt als 2- und
3-dimensionale dielektrische Strukturen, in denen die
Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, abhängig oder
unabhängig von ihrer Ausbreitungsrichtung, verboten ist.
Siehe:
1.] John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987)
2.] Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2058 (1987)
3.] L. McCall, P. m: Platzmann, R. Dalichaouch, D. Smith, S. Schulz, Phys. Rev. Lett. 67. 2017 (1991)
4.] M. Leung, Y. F. Liu, Phys. Rev. Lett. 65, 2646 (1990)
5.] L. Mc Call, A. F. J. Levi, R. F. Slusher, S. J. Pearton, R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 60, 289 (1992)
6.] Yablonovitch, T. M. Gmitter, Phys. Rev. Lett. 63, 1950 (1989)
7.] Yablonovitch, T. M-. Gmitter, K. M. Leung, Phys. Rev. Lett. 67, 2295 (1991)
8.] K.M. Ho, C. T. Chan, C. M. Soukoulis, Phys. Rev. Lett. 65, 3152 (1990)
1.] John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987)
2.] Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2058 (1987)
3.] L. McCall, P. m: Platzmann, R. Dalichaouch, D. Smith, S. Schulz, Phys. Rev. Lett. 67. 2017 (1991)
4.] M. Leung, Y. F. Liu, Phys. Rev. Lett. 65, 2646 (1990)
5.] L. Mc Call, A. F. J. Levi, R. F. Slusher, S. J. Pearton, R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 60, 289 (1992)
6.] Yablonovitch, T. M. Gmitter, Phys. Rev. Lett. 63, 1950 (1989)
7.] Yablonovitch, T. M-. Gmitter, K. M. Leung, Phys. Rev. Lett. 67, 2295 (1991)
8.] K.M. Ho, C. T. Chan, C. M. Soukoulis, Phys. Rev. Lett. 65, 3152 (1990)
Rechnungen und Mikrowellen-Messungen zeigten, daß eine
kubisch flächenzentrierte oder auch eine 2-dimensional
kubische Anordnung von Löchern in einer dielektrischen
Matrix oder von dielektrischen Stangen solch photonische
Bandlücken aufzeigen.
Siehe:
9] S. Y. Lin, A. Arjavalingam "Photonic bound states in two-dimensional photonic Crystals probed by coheren microwave transient spectroscopy", J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 11. No 10 (1994) 2124
10] S. Y. Lin, G. Arjavalingam, "Tunneling of electro magneticwaves in two-dimensional photonic crystals", Optics Letters Vol. 18, No 19, (1993) 666
11] D. R. Smith, S. Schulz, S. L. McCall, P. M. Platz mann, "Defect studies in a two-do-dimensional perio dic photonic lattice". Journal of Modern Optics Vol. 41, 2 (1994) 395
12] C. C. Cheng, A. Scherer, "Fabrication of Photonic Bandgap crystals", J. Vac. Sci. Technol (1995) nov/ dec om Druck
9] S. Y. Lin, A. Arjavalingam "Photonic bound states in two-dimensional photonic Crystals probed by coheren microwave transient spectroscopy", J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 11. No 10 (1994) 2124
10] S. Y. Lin, G. Arjavalingam, "Tunneling of electro magneticwaves in two-dimensional photonic crystals", Optics Letters Vol. 18, No 19, (1993) 666
11] D. R. Smith, S. Schulz, S. L. McCall, P. M. Platz mann, "Defect studies in a two-do-dimensional perio dic photonic lattice". Journal of Modern Optics Vol. 41, 2 (1994) 395
12] C. C. Cheng, A. Scherer, "Fabrication of Photonic Bandgap crystals", J. Vac. Sci. Technol (1995) nov/ dec om Druck
Dabei reichen bereits 6 Ebenen aus, um eine hohe Güte der
Elemente zu erzielen [9]. Derartige 2- und 3-dimensionale
Strukturen werden häufig "Photonische Kristalle" genannt
[2]. Diese Strukturen können wie bekannt mit hoher
Präzision durch die Nanolithographie mit elektronenstrahl
induzierter Deposition hergestellt werden.
Füllt man die photonischen Kristalle in ihren Zwischen
räumen mit nichtlinear-optischen Materialien oder mit
Flüssigkristallen und bringt die gesamte Struktur in ein
starkes elektrisches Feld, so kann im Kristall die optisch
wirksame Gitterkonstante durch die Veränderung des
optischen Weges in Grenzen eingestellt und damit die Fil
terwirkung des Elementes elektrisch variiert werden. Ebenso
ist eine Herstellungsmethode mit dem erweiterten Silylie
rungsprozeß mit Trockenätzen und Eindiffusion und nach
träglicher Füllung der Elemente bekannt, mit der derartige
Baugruppen hochintegriert und kostengünstig hergestellt
werden können.
Abstimmbare Filter für die optische Nachrichtentechnik und
Telekommunikation werden z.Z. in Form von langen optischen
Fasern, die ihre Filterwirkung durch mit UV-Licht in
spezielle Fasern eingeschriebene Bragg-Beugungsgitter
erhalten, realisiert.
13] R. Kashyap, "Photosensitive Optical Fibers: Devices and Applications", Opt. Fibres Techn. 1, 17-34, (1994)
14] C. Cremer, H. Heise, R. März, M. Schienle, G. Schulte-Roth, H. Unzeitig, "Bragg Gratings on In GaAsP/InP-Waveguides as Polarization Independent Optical Filters" J. of Lightwave Techn., 7, 11, 164 (1989)
15] R. C. Alferness, L.L. Buhll, U. Koren, B. J. Mil ler, M. G. Young, T. L. Koch, C. A. Burrus, G. Ray bon, "Broadly tunable InGaAsP/InP buried rib waveguide vertical coupler filter", Appl. Phys. Lett. 60, 8, 980 (1992)
16] C. Wu, C. Rolland, F. Sheperd, C. Laroque, N. Puetz, K. D. Chik, J. M. Xu, "InGaAsP/InP Vertical Coupler Filter with Optimally Designed Wavelength Tunabi lity", IEFF Photonics Technol. 4, 4, 457 (1993)
17] Z. M. Chuang, L. A. Coldren "Enhanced wavelength tu ning in gratin assisted codirectional coupler fil ter", IEEE Photonics Technology Lett., 5, 10, 1219 (1993)
13] R. Kashyap, "Photosensitive Optical Fibers: Devices and Applications", Opt. Fibres Techn. 1, 17-34, (1994)
14] C. Cremer, H. Heise, R. März, M. Schienle, G. Schulte-Roth, H. Unzeitig, "Bragg Gratings on In GaAsP/InP-Waveguides as Polarization Independent Optical Filters" J. of Lightwave Techn., 7, 11, 164 (1989)
15] R. C. Alferness, L.L. Buhll, U. Koren, B. J. Mil ler, M. G. Young, T. L. Koch, C. A. Burrus, G. Ray bon, "Broadly tunable InGaAsP/InP buried rib waveguide vertical coupler filter", Appl. Phys. Lett. 60, 8, 980 (1992)
16] C. Wu, C. Rolland, F. Sheperd, C. Laroque, N. Puetz, K. D. Chik, J. M. Xu, "InGaAsP/InP Vertical Coupler Filter with Optimally Designed Wavelength Tunabi lity", IEFF Photonics Technol. 4, 4, 457 (1993)
17] Z. M. Chuang, L. A. Coldren "Enhanced wavelength tu ning in gratin assisted codirectional coupler fil ter", IEEE Photonics Technology Lett., 5, 10, 1219 (1993)
Dabei stellt es eine beträchtliche technologische
Anforderung dar, diese Beugungsgitter mit hoher Genauigkeit
über große Längen von einigen mm bis cm herzustellen.
Spezielle die Elektronenstrahl-Lithographie in ihrem
"Stitching" verbessernde Verfahren werden angewandt, um
diesen Fehler zu verringern.
18] H. W. P. Koops, J. Kretz, M. Weber, "Combined Lithographies for the reduction of stitching errors in Lithography", Proc EIPB 94, J. Vac. Sci Technol B 12 (6) (1994) 3265-3269
19] B. H. Koek, T. Chisholm, A. J. van Run, J. Romÿn, Sub 20 nm stitching and overlay for nanolithography Applications, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 33 (1994) xxx
20] V. V. Wong, J. R. Ferrera, N. J. Damask, H. I. Smith, Fabrication and Measurement of Highly Coherent Elec tron-Beam-Written Bragg Resonators, Abstracts EIPB′95 Scottsdale N3, 331 (1995)
18] H. W. P. Koops, J. Kretz, M. Weber, "Combined Lithographies for the reduction of stitching errors in Lithography", Proc EIPB 94, J. Vac. Sci Technol B 12 (6) (1994) 3265-3269
19] B. H. Koek, T. Chisholm, A. J. van Run, J. Romÿn, Sub 20 nm stitching and overlay for nanolithography Applications, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 33 (1994) xxx
20] V. V. Wong, J. R. Ferrera, N. J. Damask, H. I. Smith, Fabrication and Measurement of Highly Coherent Elec tron-Beam-Written Bragg Resonators, Abstracts EIPB′95 Scottsdale N3, 331 (1995)
Faserfilter und Faserkoppler müssen immer mit Steckern oder
Spleissen in einer Hybridtechnik in eine makroskopische
optische Anordnung eingefügt werden. Eine Miniaturisierung
der Baugruppen ist damit nicht zu erreichen.
Mit dem Verfahren der Additiven Lithographie durch
rechnergeführte elektronenstrahlinduzierte Deposition
werden Photonen-Kristalle aus 2- und 3-dimensionalen
Anordnungen von langen miniaturisierten Nadeln aus di
elektrischen Materialien mit Nanometer-Präzision
miniaturisiert aufgebaut
21] H. W. P. Koops, R. Weiel, D. P. Kern, T. H. Baum, "High Resolution Electron Beam Induced Deposition", Proc. 31. Int. Symp. on Electron, Ion, and Photon Beams, J. Vac. Sci. Technol. B (1) (1988) 477
21] H. W. P. Koops, R. Weiel, D. P. Kern, T. H. Baum, "High Resolution Electron Beam Induced Deposition", Proc. 31. Int. Symp. on Electron, Ion, and Photon Beams, J. Vac. Sci. Technol. B (1) (1988) 477
Diese können direkt in den optischen Weg eingebaut werden.
Durch die bei dem Verfahren übliche hochpräzise
Rechnersteuerung des Elektronenstrahles in Ort, Zeit und
Bewegungsrichtung ist es möglich, nahezu alle geforderten
Geometrien der Kristalle und ihre für den gewünschten
optischen Zweck gezielten Deformationen zu erzeugen.
Dadurch kann ein maßgeschneidertes optisches Verhalten der
Struktur erzeugt werden. Durch Füllen der hochbrechenden
Nadelstrukturen mit nichtlinear-optischem Material, siehe
22] M. Eich, H. Looser, D. Y. Yoon, R. Twieg, G. C. Bjôrklund, "Second harmonic generation in poled organic monomeric glasses", J. Opt. Soc. Am. B, 6, 8 (1989),
23] M. Eich, A. Sen, H. Looser, G. C. Bjôrklund, J. D. Swalen, R. Twieg, D. Y. Yoon, "Corona Poling and Real Time Second Harmonic Generation Study of a Novel Co valently Functionaliced Amorphous Nonlinear Polymer", J. Appl. Phys. 66, 6 (1989),
24] M. Eich, G. C. Bjôrklund, D. Y. Yoon, "Poled Amorphous Polymers of Second Order Nonlinear Optics", Polymers for Advanced Technologies, 1, 89 (1990),
oder durch Füllen der hochbrechenden Nadelstrukturen mit Flüssigkristallen, siehe
25] R. Birenheide, M. Eich, D. A. Jungbauer, O. Herrmann- Schönherr, K. Stoll, J. H. Wendorff, "Analysis of Reorientational Processes in Liquid Crystalline Side Chain Polymers Using Dielectric Relaxation, Electro- Optical Relaxation and Switching Studies", Mol. Cryst. Liq. Cryst., 177, 13 (1989)
und durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes an die gefüllte Struktur kann der optische Weg im Kristall und damit dessen Eigenschaften elektrisch eingestellt werden. Damit ist die optische Durchlaßcharakteristik fein verschiebbar, die optische Spiegelwirkung variierbar und die Reflexionsrichtung und eventuell die Stärke variierbar. Da das Element sehr hohe Güte besitzt und dabei sehr klein ist (die Abmessungen betragen wenige um in Länge, Breite und Höhe), können mit derartigen Filtern und Spiegeln ausgestattete optische Elemente und Schaltungen in hoher Packungsdichte hergestellt werden 1.
22] M. Eich, H. Looser, D. Y. Yoon, R. Twieg, G. C. Bjôrklund, "Second harmonic generation in poled organic monomeric glasses", J. Opt. Soc. Am. B, 6, 8 (1989),
23] M. Eich, A. Sen, H. Looser, G. C. Bjôrklund, J. D. Swalen, R. Twieg, D. Y. Yoon, "Corona Poling and Real Time Second Harmonic Generation Study of a Novel Co valently Functionaliced Amorphous Nonlinear Polymer", J. Appl. Phys. 66, 6 (1989),
24] M. Eich, G. C. Bjôrklund, D. Y. Yoon, "Poled Amorphous Polymers of Second Order Nonlinear Optics", Polymers for Advanced Technologies, 1, 89 (1990),
oder durch Füllen der hochbrechenden Nadelstrukturen mit Flüssigkristallen, siehe
25] R. Birenheide, M. Eich, D. A. Jungbauer, O. Herrmann- Schönherr, K. Stoll, J. H. Wendorff, "Analysis of Reorientational Processes in Liquid Crystalline Side Chain Polymers Using Dielectric Relaxation, Electro- Optical Relaxation and Switching Studies", Mol. Cryst. Liq. Cryst., 177, 13 (1989)
und durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes an die gefüllte Struktur kann der optische Weg im Kristall und damit dessen Eigenschaften elektrisch eingestellt werden. Damit ist die optische Durchlaßcharakteristik fein verschiebbar, die optische Spiegelwirkung variierbar und die Reflexionsrichtung und eventuell die Stärke variierbar. Da das Element sehr hohe Güte besitzt und dabei sehr klein ist (die Abmessungen betragen wenige um in Länge, Breite und Höhe), können mit derartigen Filtern und Spiegeln ausgestattete optische Elemente und Schaltungen in hoher Packungsdichte hergestellt werden 1.
Desweiteren sind Lösungen bekannt, die auf Vielstrahl-
Schreibgeräten mit Korpuskularstrahlen basieren. Mittels
dieser Methode können optoelektronische Elemente und
integrierte optische Schaltungen in wirtschaftlicher Weise
mit Hilfe der Additiven Lithographie gefertigt werden.
Siehe:
26] H. Koops, 1974, Deutsches Patent angem. P 2446 789.8- 33 "Korpuskularstrahloptisches Gerät zur Korpuskelbe strahlung eines Präparates", USA-Patent erteilt: No. 4021674, 4. 05. 1977,
27] H. Koops, 1974, Deutsches Patent angem. P 2460 716.7 "Korpuskularstrahloptisches Gerät zur Korpuskelbe strahlung eines Präparates", deutsches Patent erteilt: 30. 12. 1976,
28] H. Koops, 1974, Deutsches Patent angem. P 2460 715.6 "Korpuskularoptisches Gerät zur Korpuskelbestrahlung eines Präparates in Form eines Flächenmusters mit mehreren untereinander gleichen Flächenelementen", deutsches Patent erteilt 31. 10. 1979,
29] H. Koops, 1975, Deutsches Patent angem. P 2515 550.4 "Korpuskularoptisches Gerät zur Abbildung einer Maske auf ein zu bestrahlendes Präparat", deutsches Patent erteilt 18. 05. 1977,
30] M. Rüb, H. W. P. Koops, T. Tschudi "Electron beam in duced deposition in a reducing image projector", Mi croelectrohic Engineering 9 (1989) 251-254 und
31] H. Elsner, H.-J. Döring, H. Schacke, G. Dahm, H. W. P. Koops, "Advanced Multiple Beam-shaping Diaphragm for Efficient Fxposure", Microelectronic Fngineering 23 (1994) 85-88.
26] H. Koops, 1974, Deutsches Patent angem. P 2446 789.8- 33 "Korpuskularstrahloptisches Gerät zur Korpuskelbe strahlung eines Präparates", USA-Patent erteilt: No. 4021674, 4. 05. 1977,
27] H. Koops, 1974, Deutsches Patent angem. P 2460 716.7 "Korpuskularstrahloptisches Gerät zur Korpuskelbe strahlung eines Präparates", deutsches Patent erteilt: 30. 12. 1976,
28] H. Koops, 1974, Deutsches Patent angem. P 2460 715.6 "Korpuskularoptisches Gerät zur Korpuskelbestrahlung eines Präparates in Form eines Flächenmusters mit mehreren untereinander gleichen Flächenelementen", deutsches Patent erteilt 31. 10. 1979,
29] H. Koops, 1975, Deutsches Patent angem. P 2515 550.4 "Korpuskularoptisches Gerät zur Abbildung einer Maske auf ein zu bestrahlendes Präparat", deutsches Patent erteilt 18. 05. 1977,
30] M. Rüb, H. W. P. Koops, T. Tschudi "Electron beam in duced deposition in a reducing image projector", Mi croelectrohic Engineering 9 (1989) 251-254 und
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Ziel der Erfindung ist eine verlustarme Weichen-Anordnung,
die auf elektrisch einstellbaren Photonen-Kristallen
basiert und damit eine hohe Packungsdichte garantiert.
Erfindungsgemäß wird ein 2- oder 3-dimensionaler Photonen-
Kristall aus hochbrechendem dielektrischen Material mit
Hilfe der elektronenstrahlinduzierten Deposition oder mit
Nanolithographie hergestellt. Photonen-Kristalle sind 3-
dimensionale dielektrische Strukturen, in welchen
elektromagnetische Wellen eines bestimmten
Wellenlängenbereiches verboten sind, unabhängig von ihrer
Ausbreitungsrichtung. Solche Photonen-Kristalle mit
Bandlücken und je nach Ausführung einem oder mehreren
schmalbandigen Durchlaßbereichen wirken als schmalbandige
Filter. Berechnungen und Mikrowellen-Messungen zeigten, daß
eine kubisch flächenzentrierte oder auch eine 2-dimensional
kubische Anordnung von Löchern in einer dielektrischen
Matrix oder von dielektrischen Stangen solch photonische
Bandlücken aufzeigen. Dabei reichen bereits 6 Ebenen aus,
um ein Element hoher Güte zu erzielen.
Mit dem Verfahren der Additiven Lithographie werden 2- und
3-dimensionale Anordnungen von langen miniaturisierten
Nadeln aus dielektrischen Materialien mit Nanometer-
Präzision direkt im optischen Weg aufgebaut. Durch die bei
dem Verfahren übliche hochpräzise Rechnersteuerung des
Elektronenstrahles in Ort, Zeit und Bewegungsrichtung ist
es möglich, nahezu alle geforderten Geometrien der
Kristalle und ihre für den gewünschten optischen Zweck
gezielten Deformationen zu erzeugen. Dadurch kann ein
maßgeschneidertes festes optisches Verhalten der Struktur
erzeugt werden. Ahnliche Strukturen können auch durch
Nanolithographische Verfahren und den erweiterten Prozeß
der Silylierung mit Trockenätzen hergestellt werden.
Durch Füllen der Nadelzwischenräume mit nichtlinear
optischen Materialien und durch Anordnung des Kristalles im
elektrischen Feld kann die Anordnung in einem bestimmten
Wellenlängenbereich elektrisch abgestimmt und mit hoher
Präzision eingestellt werden. Durch die Verwendung von
Flüssigkristall-Materialien zur Füllung der Struktur ist
eine im weiten Bereich mögliche Einstellbarkeit des Filters
erreichbar. Durch die Verwendung von Flüssigkristallen als
Füllmaterial kann der Filter als Schalter mittlerer
Schnelligkeit eingesetzt werden. Damit kann mit einem mit
nichtlinearem Material gefüllten Kristall ein schaltbarer
Spiegel realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Weiche wird aus einstellbaren
Photonen-Kristallen realisiert. Diese Photonen-Kristalle
bestehen aus langen miniaturisierten Nadeln, die als
hochpräzise optische Spiegel wirken. Aus diesen Nadeln wird
eine optische Geometrie erzeugt, in der als photonische
Bandlücken wirkende Deformationen gezielt eingebracht sind.
Die Nadelzwischenräume sind mit nichtlinear optischen
Materialien bzw. Flüssigkristallen gefüllt. Durch die
Anordnung von Elektroden an die optische Geometrie und
damit durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes läßt
sich die optische Durchlaßcharakteristik der gesamten
optischen Geometrie bis zur Reflexion verändern. Durch die
Anordnung von weiteren unterteilten Elektroden zur
separaten Feldführung in einzelnen Kristallbereichen der
optischen Geometrie wird erreicht, daß die optische
Geometrie gleichzeitig in ihrer optischen
Durchlaßcharakteristik in einzelnen Kristall-Bereichen
getrennt bis zur Reflexion veränderbar ist. Zu den
einzelnen Richtungsbereichen der optischen Geometrie sind
feststehende Photonenspiegel winklig direkt im optischen
Weg angeordnet, so daß das Licht über die feststehenden
Photonenspiegel ein- und ausgekoppelt werden kann.
Damit wird über die Veränderung der Durchlaßcharakteristik
der optischen Geometrie in Verbindung mit der gezielten
Auskopplung des Lichtes über die einzelnen feststehenden
Photonenspiegel die Funktion einer optischen Weiche
realisiert.
In Fig. 1 ist das Schema eines abstimmbaren Photonen-
Kristalls abgebildet, der als schmalbandiger Filter in
einem Monomode-Wellenleiter eingesetzt wird.
Basierend auf diesem Prinzip kann beispielsweise eine
optisch einstellbare verlustarme 2-Wege-Weiche entsprechend
Fig. 2 aufgebaut werden. Dabei wird im optischen Weg eine
als abstimmbarer Spiegel ausgebildete optische Geometrie
zwischen feststehenden Photonenspiegeln angeordnet. Die
feststehenden Photonenspiegel sind so ausgerichtet, daß das
Licht unter einem Winkel von 22,5 Grad gespiegelt und damit
unter einem Winkel von 45 Grad auf die als abstimmbarer
Spiegel ausgebildete Geometrie des mit nichtlinearem
Material gefüllten Photonen-Kristalls trifft. Wenn die
Geometrie des als abstimmbarer Spiegel wirkenden Photonen-
Kristalls in Durchlaßrichtung geschaltet ist, wird das
Licht unbeeinflußt durchgelassen. Wenn die Geometrie des
als abstimmbarer Spiegel wirkenden Photonen-Kristalls in
Reflexion geschaltet ist, wird das Licht genau in dem
feststehenden Spiegel reflektiert, welcher das Licht in den
weiterführenden Wellenleiter einkoppelt.
Derartige Bauelemente finden Einsatz in Netzwerken der
Vermittlungstechnik und ermöglichen die Dienste-Selektion.
Dabei ist die Packungsdichte mit dieser Technik stark
erhöht, denn die Baugruppe aus Spiegeln und Filterschalter
hat weniger als 12 µm in Längen- und Breitenabmessung.
Strukturiert man die Feldplatten im Bereich des Kristalls
in 4 Teile, so kann durch wahlweise Schaltung der 4
Kristall-Quadranten eine Transmission und eine Reflexion in
je einer Hälfte eingestellt werden. Damit ist eine 3-Wege-
Weiche nach Fig. 3 mit einem Element mit um 90 Grad
gegeneinander orientierten Strahlwegen realisierbar.
Durch gezieltes Einstellen der Transmission und Reflexion
in Kristallbereichen zwischen feiner strukturierten Feld-
Platten kann außer der Einstellung der Reflexion und
Transmission auch der Strahl in seiner Intensität
elektrisch gesteuert aufgeteilt werden.
Eine weitere Möglichkeit die elektrische Einstellung der
Weiche zu beeinflussen besteht darin, durch eine steuerbare
auf den mit nichtlinear-optischem Material gefüllten
Photonen-Kristall gerichtete Lichtquelle zusätzlich
geführtes Licht in den Photonen-Kristall einzukoppeln.
Damit wird schnelles Schalten im oberen Gigahertz-Bereich
möglich. Das Licht kann dabei auch auf die Ebene der
Wellenleiter-Lichtführung aus dem Raum darüber oder
darunter gerichtet sein. Das ermöglicht die in Ebenen
getrennte Führung von Schalt-Licht und zu schaltendem
Licht.
Fig. 4 zeigt das Schema einer elektrisch einstellbaren
Mehrwege-Weiche die aus mehreren 3-Wege-Weichen aus
elektrisch getrennt abstimmbaren Photonen-Kristall-
Bereichen und Umlenkspiegeln aus Photonen-Kristallen
aufgebaut ist. Diese Anordnung stellt somit einen
kaskadierten Koppler-Schalter aus miniaturisierten
schaltbaren 4-Wege Richtkopplern aus Photonen-Kristallen
mit einstellbarem Band-Paß dar.
In Fig. 5 ist das Schema einer elektrisch einstellbaren
Mehrwege-Weiche dargestellt. Die Mehrwege-Weiche ist aus
mehreren 3-Wege-Weichen aus elektrisch getrennt
abstimmbaren Photonen-Kristall-Bereichen aufgebaut und
stellt somit einen kaskadierten Koppler-Schalter aus
miniaturisierten schaltbaren 4-Wege-Richtkopplern mit
einstellbarem Band-Pass dar.
Mit derartigen Bauelementen können in Kombination mit
anderen gleichartigen oder auch andersartigen integrierten
Bauelementen, wie Spiegeln, Phasenschiebern und Reflektoren
integrierte Schaltungen zur optischen Signalverarbeitung
und zu optischen Rechnern mit hoher Packungsdichte
aufgebaut werden. Ebenso ist die Realisierung
festeingestellter oder auch variabler Meßschaltungen für
Sicherheitsaufgaben und Prüfverfahren für die
Datenkommunikation auf Glasfasern möglich.
Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine neuartige
schaltbare Weichen-Anordnung dar, die in integrierter
Technik mit hoher Packungsdichte eingesetzt werden kann und
das Schalten mit Spannungen und/oder mit Licht zwischen
mindestens zwei optischen Wegen, sowie deren Überkreuzung
ermöglicht. Durch die Integration entfällt der Platzbedarf
für Stecker zum Einfügen des Elementes in die optischen
Wege beispielsweise einer Rechnerschaltung.
Claims (7)
1. Optische Mehrwege-Weiche mit elektrisch einstellbaren
Photonen-Kristallen, dadurch gekenn
zeichnet, daß aus einstellbaren Photonen-
Kristallen, die aus langen miniaturisierten Nadeln
ausgebildet sind, und die als hochpräzise optische
Spiegel wirken, eine optische Geometrie aufgebaut wird,
daß in der optischen Geometrie als photonische
Bandlücken wirkende Deformationen gezielt eingebracht
sind, daß die Nadelzwischenräume mit nichtlinear
optischen Materialien bzw. Flüssigkristallen gefüllt
sind, so daß durch Anordnung von Elektroden an die
optische Geometrie und damit durch Anlegen eines
starken elektrischen Feldes, die optische
Durchlaßcharakteristik der gesamten optischen Geometrie
bis zur Reflexion veränderbar ist, daß die optische
Geometrie mit weiteren unterteilten Elektroden zur
separaten Feldführung in Kristallbereichen versehen
ist, so daß die optische Geometrie gleichzeitig in
ihrer optischen Durchlaßcharakteristik in einzelnen
Kristallbereichen getrennt bis zur Reflexion
veränderbar ist, und daß die optische Geometrie in
Verbindung mit weiteren, winklig zu den einzelnen
Richtungsbereichen der optischen Geometrie angeordneten
feststehenden Photonenspiegeln, direkt im optischen Weg
angeordnet ist, wobei das Licht über die feststehenden
Photonenspiegel ein- und ausgekoppelt wird, so daß über
die Veränderung der Durchlaßcharakteristik der
optischen Geometrie und damit die Möglichkeit der
gezielten Auskopplung des Lichtes über die einzelnen
feststehenden Photonenspiegel eine Weichenfunktion
erzielt wird.
2. Optische Mehrwege-Weiche nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß im optischen Weg eine als
abstimmbarer Spiegel ausgebildete optische Geometrie
zwischen feststehenden Photonenspiegeln angeordnet ist,
wobei die feststehenden Photonenspiegel so ausgerichtet
sind, daß das Licht unter einem Winkel von 22,5 Grad
gespiegelt und damit unter einem Winkel von 45 Grad auf
die als abstimmbarer Spiegel ausgebildete Geometrie des
mit nichtlinearem Material gefüllten Photonen-Kristalls
trifft, und daß die Geometrie des als abstimmbarer
Spiegel wirkenden Photonen-Kristalls in
Durchlaßrichtung geschaltet das Licht unbeeinflußt
durchläßt und in Reflexion geschaltet das Licht genau
in dem feststehenden Spiegel reflektiert, welcher das
Licht in den weiterführenden Wellenleiter einkoppelt,
so daß eine 2-Wege-Weiche mit Strahl-
Überkreuzungsmöglichkeit entsteht.
3. Optische Mehrwege-Weiche nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, daß der als Weiche mit nichtlinear
optischem Material gefüllter Photonen-Kristall zwischen
elektrischen Feldplatten angeordnet ist, daß die
Feldplatten in vier Quadranten aufgetrennt angeordnet
sind, daß die elektrischen Felder in den einzelnen
Quadranten einzeln so eingestellt werden, daß einzelne
Teilkristalle in Transmission bzw. in Reflexion
geschaltet sind, so daß ein einfallender Strahl in eine
der drei anderen Diagonalen der Kristallteile wahlweise
geschaltet werden kann, wodurch die Funktion einer
elektrisch einstellbaren 3-Wege-Weiche realisiert wird.
4. Optische Mehrwege-Weiche nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ein in mehrere Bereiche geteilter
Photonen-Kristall verwendet wird, um Licht entweder aus
einer Richtung in weiterführende Richtungen zu lenken
oder auf einen benachbart angeordneten gleichartigen
steuerbaren Kristall zu richten, so daß eine
Verzweigung in weitere Richtungen erreicht wird,
wodurch eine kaskadierbare Vermittlungsstruktur in
dekadischer oder anderer modularer Anordnung realisiert
wird.
5. Optische Mehrwege-Weiche nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrisch einstellbaren
Photonen-Kristalle ihr Licht auf Photonenspiegel
lenken, welche die Richtungsortierung unter 45 Grad in
ein rechtwinkliges Muster ausrichten, so daß eine
geometrische Einpassung der elektrisch einstellbaren
Kristalle bewirkt wird.
6. Optische Mehrwege-Weiche nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der elektrisch einstellbare
Photonen-Kristall durch gezielt angeordnete
Deformationen in mehr als vier Bereiche unterteilt ist,
so daß eine feinere Aufteilung der stellbaren
Kristallbereiche erreicht wird, so daß außer der
Richtungsanpassung auch die Intensitätsanpassung der
umgelenkten Lichtstrahlen möglich ist.
7. Optische Mehrwege-Weiche nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrische Einstellung der
Weiche durch eine steuerbare auf den Photonen-Kristall
gerichtete Lichtquelle realisiert wird, über die
zusätzlich geführtes Licht in den Photonen-Kristall
eingekoppelt wird.
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