Integrierter optischer Schaltkreis

Das Ziel der Integrierten Optik (IO) ist es, verkleinerte optische Systeme mit einer hohen Funktionalität (Lichtquellen, Wellenleiter, Strahlteiler, Intensitäts- oder Phasen-Modulatoren, Filter, Schalter usw.) auf einem Substrat unterzubringen.

Die integrierte Optik ist mit integrierten Schaltkreisen (IC) vergleichbar, allerdings ist die Integrationdichte noch nicht so hoch wie bei den ICs.

Da aber die integrierte Optik sehr interessant für Kommunikationssysteme und Sensoren ist, findet hier derzeit viel Forschung und Entwicklung zur Schaffung neuer Module statt.

Typische Materialien der Integrierten Optik sind Silizium, Polymere (besonders Photopolymere) und dielektrische Kristalle, z.B. Lithiumniobat. Letzteres hat interessante elektrooptische, akustooptische und nichtlineare optischen Eigenschaften. Um aus diesem Material optische Schaltkreise mit bestimmten Funktionen herzustellen, wird der Kristall mit Titan dotiert, mit Protonenaustauschverfahren bearbeitet, oder mit Elementen aus der Gruppe der seltenen Erden dotiert.

Man strebt danach, alle zum Aufbau eines optischen Kommunikationsnetzes erforderlichen Funktionalitäten auf einem integrierten optischen Schaltkreis unterzubringen, um den Umweg über elektrische Signale zu vermeiden.

Akustooptische Schaltkreise

Haupteinsatzgebiet dieser mit Ultraschallwellen arbeitenden Bauelemente sind Kommunikationssysteme. Es werden Wellenlängen-Filter, Schalter und Multiplexer hergestellt.

mikrooptische Laser, Verstärker und Dotierungselemente

mit Er³⁺ dotiertes LiNbO₃

Um laseraktive Bauelemente oder optische Verstärker herzustellen, werden Gläser oder Kristalle mit den Elementen aus der Gruppe der seltenen Erden (Praseodym, Neodym, Erbium , Thulium, Ytterbium) dotiert.
Am interessantesten ist Erbium, da die mit Erbium dotierten Kristalle, Gläser und Lichtwellenleiter Infrarot im Bereich von 1550 nm erzeugen bzw. verstärken können, einer Wellenlänge, die in den aus Kieselglas (Quarzglas) bestehenden Glasfasern nur sehr wenig gedämpft wird. Dieser Wellenlängenbereich wird daher in Glasfasernetzen der Telekommunikation vorrangig genutzt.

Gepumpt werden Erbium-dotierte Lithiumniobatlaser und Erbium-dotierte Faserverstärker mit Diodenlasern mit einer Wellenlänge von 980 nm oder 1480nm. Das Diagramm rechts zeigt die Energieniveaus.

Als Strahlungsquelle kommen vielfach auch Halbleiterlaser direkt zum Einsatz. Sie können ebenfalls bei 1550 nm arbeiten.

Mischer und OPO

Mischer, Frequenzvervielfacher und optisch-parametrische Oszillatoren (OPO) dienen der Frequenzumwandlung, um aus kohärentem Licht einer Frequenz kohärentes Licht in anderen Frequenzbereichen zu erzeugen. Es gibt Frequenzbereiche, die mit den derzeitigen Laserquellen nicht abgedeckt werden können. Durch ein nichtlineares Element kann Laserlicht in einen anderen Frequenzbereich gewandelt oder auch ein durchstimmbarer Laser geschaffen werden.