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Dokumentenidentifikation DE10222151A1 11.12.2003
Titel Variables optisches Dämpfungselement
Anmelder Photeon Technologies GmbH, Bregenz, AT
Erfinder Metzler, Johann-Peter, Lochau, AT
Vertreter Riebling, P., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 88131 Lindau
DE-Anmeldedatum 17.05.2002
DE-Aktenzeichen 10222151
Offenlegungstag 11.12.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.12.2003
IPC-Hauptklasse G02F 1/01
IPC-Nebenklasse G02F 1/065   G02F 1/19   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein variables optisches Dämpfungselement mit einem von einem Mantelmaterial umgebenen Wellenleiter, wobei ein Abschnitt des Wellenleiters zumindest teilweise von einem Material mit veränderbarem Brechungsindex umgeben ist. Das den Wellenleiter umgebende Material hat im inaktiven Zustand die gleiche Brechzahl wie das Mantelmaterial. Erhöht man die Brechzahl des Materials im Bereich um den Wellenleiter, so wird das Licht in diesem Bereich gekoppelt und das Licht im eigentlichen Wellenleiter entsprechend abgeschwächt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein variables optisches Dämpfungselement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein variables optisches Dämpfungselement für planare Lichtwellenleiter, sogenannte PLCs (PLC = Planar Lightwave Circuit).

In optischen Netzwerken tritt häufig das Problem auf, dass Signale mit sehr unterschiedlicher Intensität auftreten, die dann in der Intensität aufeinander abgestimmt werden müssen. Die Ursache für diese Unterschiede sind unterschiedliche Ausbreitungspfade innerhalb eines Netzwerks und die damit verbundenen unterschiedlichen Absorptionen der einzelnen Komponenten in diesen Pfaden.

Durch die Verwendung von variablen Dämpfungselementen (VOA = Variable Optical Attenuator) kann man dann die Intensitäten der Signale aufeinander abstimmen.

Bisher gibt es zahlreiche Möglichkeiten der Realisierung eines variablen Dämpfungselements. Eine der beliebtesten beruht auf der Verwendung von Materialien, die einen Elektroabsorptionseffekt aufweisen. In manchen Materialien ist die Absorption eine Funktion des angelegten elektrischen Feldes. Verwendet man solche Materialien als Wellenleiter und setzt sie unter Strom kann man direkt über den angelegten Strom die Absorption steuern. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass immer eine gewisse Mindestabsorption vorhanden ist, da diese Materialien auch ohne elektrisches Feld eine spürbare Absorption aufweisen.

Weiterhin werden variable optische Schalter auf Basis eines Mach-Zehnder- Interferometers als Dämpfungselemente verwendet, wie es z. B. in der EP 11 178 349 A1 beschreiben ist. Nachteil bei diesen Dämpfungselementen ist jedoch, dass die resultierende Baugröße des VOA relativ groß sind.

In der EP 1 109 049 A1 ist ein variables optischen Dämpfungselement offenbart, bei dem ein Dämpfungseffekt durch ein photothermisches Material erreicht wird, das in den Wellenleiter eingefügt ist. Durch Bestrahlung des photothermischen Materials mit eine geeigneten Lichtquelle kann die optische Dämpfung des Materials verändert werden. Auch hier ist immer eine gewisse Grunddämpfung vorhanden, da das dämpfende Material Teil des Wellenleiters ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein variables optisches Dämpfungselement anzugeben, das einerseits eine vernachlässigbare Grunddämpfung und eine hohe Maximaldämpfung und andererseits eine geringe Baugröße aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

In der allgemeinsten Form besteht die Erfindung aus einem Wellenleiter, der einen Abschnitt aufweist, welcher zumindest teilweise von einem Material mit veränderbarem Brechungsindex umgeben ist.

Das Material mit veränderbarem Brechungsindex ist in einem definierten Bereich um den Wellenleiter angeordnet.

Das den Wellenleiter umgebende Material hat im inaktiven Zustand die gleiche Brechzahl wie das Mantelmaterial. Erhöht man die Brechzahl des Materials in diesem Bereich, so wird das Licht in diesen Bereich gekoppelt und das Licht im eigentlichen Wellenleiter entsprechend abgeschwächt.

Das Material mit veränderlichem Brechungsindex ist vorzugsweise ein Polymer, dessen Brechungsindex aufgrund thermo-optischer, elektro-optischer oder anderer Eigenschaften veränderbar ist.

Zur Beeinflussung der Temperatur im Bereich um den Wellenleiter ist ein Heizelement vorgesehen. Vorzugsweise handelt es sich um ein elektrisch betriebenes Heizelement.

Alternativ können zur Erzielung eines elektro-optischen Effekts mindestens zwei Elektroden vorgesehen sein, die im Bereich um den Wellenleiter ein elektrisches Feld erzeugen.

Eine weitere Möglichkeit stellt die Verwendung optischer Polymere dar, deren Brechzahl direkt durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge verändert werden kann.

Vorzugsweise befinden sich neben dem eigentlichen Wellenleiter zwei symmetrisch zueinander ausgebildete Bereiche aus einem Material, das von der Brechzahl her an das Mantelmaterial angepasst ist und dessen Brechzahl sich kontrolliert ändern lässt. Erhöht man die Brechzahl des Materials in den beiden Bereichen, so wird das Licht aus dem Wellenleiter in diese Bereiche hinein gekoppelt und somit der Lichtanteil im eigentlichen Wellenleiter reduziert, wodurch man einen Dämpfungseffekt erzielt.

Die beschriebene Anordnung ist insbesondere für einen planaren Wellenleiter sehr gut geeignet. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Bereiche dreieckförmig symmetrisch auszubilden, und zwar derart, dass sie sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts aufweiten. Dadurch wird das Licht symmetrisch auf beiden Seiten aus dem Wellenleiter heraus gekoppelt, wodurch eine hohe Dämpfung erzielt werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung eines VOA mit dreieckförmigen Polymerbereichen;

Fig. 2 eine Darstellung der Absorption des VOA als Funktion der Brechzahl des Polymermaterials;

Fig. 3 eine Darstellung der simulierten Intensitätsverteilung im VOA im inaktiven Zustand;

Fig. 4 eine Darstellung der simulierten Intensitätsverteilung im VOA im aktiven Zustand.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein planarer Wellenleiter 1 dargestellt, der in bekannter Weise von einem Mantelmaterial 4 umgeben ist. Entlang eines Abschnitts des Wellenleiters 1 sind Bereiche 2, 3 angeordnet, die ein Material enthalten, dessen Brechzahl veränderlich ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Bereiche 2, 3 dreieckförmig ausgebildet; sie können grundsätzlich aber auch nahezu jede andere Form aufweisen. Für den Wellenleiter 1 wird ein SiO2-basiertes Material verwendet. Für die dreieckigen Bereiche 2, 3 vorzugsweise ein Polymer mit thermo-optischen oder elektro-optischen Eigenschaften oder direkt optisch variierbarem Brechungsindex.

Die Eigenschaften des Polymers in den Bereichen 2, 3 sind so gewählt, dass es im Ruhezustand den gleichen Brechungsindex wie das den Wellenleiter umgebende Mantelmaterial 2 hat, das in der Regel ebenfalls aus einem SiO2-Material besteht. Aufgrund des selben Brechungsindex "merkt" das Licht in diesem Zustand des VOA nichts von den Polymerbereichen 2, 3 und es breitet sich ungestört entlang des Wellenleiters 1 aus.

Wenn man mittels eines Heizelements die Temperatur der Polymerbereiche 2, 3 erhöht, so erhöht sich die Brechzahl des Polymers. Je höher die Brechzahl im Polymerbereich ist, desto mehr Licht wird aus dem Wellenleiter 1 in die Polymerbereiche 2, 3 gekoppelt, da das Licht aufgrund der geringeren Unterschiede der Brechzahlen aus dem Wellenleiter in die Polymerbereiche übertreten kann. Dadurch reduziert sich die Lichtintensität im Wellenleiter 1 und man erhält den gewünschten Dämpfungseffekt.

Wenn man gemäß Fig. 2 die Absorption als Funktion der Brechzahländerung als Kurve 5 aufträgt, so sieht man, dass man bereits mit diesem sehr simplen Ausführungsbeispiel hohe Dämpfungen von > 35 dB erreichen kann.

Fig. 3 zeigt das simulierte Verhalten des Dämpfungselements im inaktiven Zustand. Im Diagramm links oben erkennt man, dass sich die Lichtintensität ausschließlich im Wellenleiter konzentriert und den VOA ungehindert passiert. Oben rechts ist die Intensitätsverteilung im VOA nochmals dargestellt. Im Bereich, der den Verlauf des Wellenleiters beschreibt, ist die gesamte Intensität des Lichts konzentriert. Links unten ist der Bereich des Wellenleiters durch einen rechteckigen Balken dargestellt. Man erkennt, dass sich die Lichtintensität im Balken konzentriert. Schließlich zeigt das Diagramm unten rechts die Verteilung des Brechungsindex im VOA. Es ist zu erkennen, dass im Wellenleiter ein großer und in den den Wellenleiter umgebenden Bereichen ein kleiner Brechungsindex herrscht.

Fig. 4 zeigt das simulierte Verhalten des VOA im aktiven Zustand, das heißt nach einer Temperaturerhöhung der Polymerbereiche bzw. nach dem Anlegen eines elektrischen Feldes. Im Diagramm links oben erkennt man, dass nahezu die gesamte Lichtintensität in die Polymerbereiche auskoppelt, während im Wellenleiter selbst kaum noch Lichtintensität vorhanden ist. Oben rechts ist die Intensitätsverteilung nochmals dreidimensional dargestellt. Das Licht wird in die Polymerbereiche gestreut und folgt nicht mehr dem Verlauf des Wellenleiters. Links unten ist die Position des Wellenleiters durch den rechteckigen Balken dargestellt. Man erkennt, dass nur wenig Lichtintensität im Wellenleiter verbleibt und sich eher seitlich in den Polymerbereichen konzentriert. Schließlich zeigt das Diagramm unten rechts die Verteilung des Brechungsindex im VOA. Im Vergleich zu Fig. 3, rechts unten, ist zu erkennen, dass der Brechungsindex in den Polymerbereichen zugenommen hat und in etwa dem des Wellenleiters entspricht, so dass das Licht vom Wellenleiter in die Polymerbereiche übertreten kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Variables optisches Dämpfungselement mit einem von einem Mantelmaterial (2) umgebenen Wellenleiter (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Wellenleiters (1) zumindest teilweise von einem Material mit veränderbarem Brechungsindex umgeben ist.
  2. 2. Variables optisches Dämpfungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit veränderbarem Brechungsindex in mindestens einem definierten Bereich (2; 3) um den Wellenleiter (1) angeordnet ist.
  3. 3. Variables optisches Dämpfungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (2; 3) symmetrisch um den Abschnitt des Wellenleiters angeordnet ist.
  4. 4. Variables optisches Dämpfungselement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (1) ein planarer Wellenleiter ist und der Bereich (2; 3) auf beiden Seiten des Wellenleiters angeordnet ist.
  5. 5. Variables optisches Dämpfungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (2, 3) dreieckförmig ausgebildet ist und sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts aufweitet.
  6. 6. Variables optisches Dämpfungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit veränderlichem Brechungsindex ein Polymer ist.
  7. 7. Variables optisches Dämpfungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material im inaktiven Zustand den selben Brechungsindex aufweist wie das Mantelmaterial (2).
  8. 8. Variables optisches Dämpfungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material thermo-optische oder elektro- optische Eigenschaften aufweist und bei Temperaturerhöhung, bei Anlegen eines elektrischen Feldes oder Bestrahlung mit Licht einen höheren und variablen Brechungsindex aufweist als das Mantelmaterial (2).
  9. 9. Variables optisches Dämpfungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement vorgesehen ist, das im Bereich (2; 3) eine Temperaturerhöhung bewirkt.
  10. 10. Variables optisches Dämpfungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement ein elektrisch betriebenes Heizelement ist.
  11. 11. Variables optisches Dämpfungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elektroden vorgesehen sind, die im Bereich (2, 3) ein elektrisches Feld erzeugen.






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