Naast de microring-resonator is er nog een andere veel gebruikte component op een fotonische chip waarmee selectie van licht kan plaatsvinden; de Mach Zehnder interferometer.

Om de werking van een Mach Zehnder te kunnen begrijpen is het nodig om eerst iets te weten over een effect dat kan optreden bij de reflectie van licht aan een oppervlak. Onder sommige omstandigheden zal een lichtgolf bij de reflectie aan een oppervlak namelijk over een halve golflengte verschuiving. Deze golflengteverschuiving vindt alléén plaats als licht vanuit een stof met een lagere brekingsindex reflecteert tegen een stof met een hogere brekingsindex. Dit wordt in afbeelding 37 getoond. In de linker figuur van afbeelding 37 reflecteert het licht bij de overgang van lucht naar glas, dus bij de overgang van een stof met een lagere brekingsindex naar een stof met een hogere brekingsindex. Hier zal het weerkaatste licht een halve golflengte zijn verschoven ten opzichte van de oorspronkelijke invallende golf. In de rechter afbeelding vindt reflectie plaats bij de overgang van glas naar lucht, dus bij de overgang van een stof met een hogere brekingsindex naar een stof met een lagere brekingsindex. Hier zal géén verschuiving van de lichtgolf plaatsvinden.

Afbeelding 37: wel/geen golflengteverschuiving bij reflectie aan een grensvlak.

De werking van de Mach Zehnder interferometer zal hier worden uitgelegd aan de hand van afbeelding 38. De opstelling van een Mach Zehnder bestaat in de basis uit een opstelling van vier spiegels (in de afbeelding aangegeven met S1 t/m S4). Bij het doorlopen van het licht door de Mach Zehnder zal het licht soms tegen de achterkant van een spiegel weerkaatsen en soms tegen de voorkant van een spiegel. Als we de bovenstaande regel over de reflectie van licht toepassen op de spiegels die zich in de Mach Zehnder interferometer bevinden dan geldt het volgende. Bij reflectie aan de voorkant van een spiegel zal de lichtgolf verschuiven met een halve golflengte, omdat het materiaal achter de spiegel (glas) een hogere brekingsindex heeft dan het materiaal waarin het licht zich voortbeweegt (lucht). Bij reflectie aan de achterkant van een spiegel zal geen golflengteverschuiving plaatsvinden, omdat het materiaal achter de spiegel (lucht) een lagere brekingsindex heeft dan het materiaal waarin het licht zich voortbeweegt (glas).

In de Mach Zehnder zijn de spiegels S1 en S4 half doorlatend; de helft van het invallende licht wordt bij deze spiegels gereflecteerd en de andere helft wordt doorgelaten. Het licht dat de Mach Zehnder binnentreedt zal daarom door spiegel S1 worden opgedeeld, waarbij de helft van het licht zich verplaatst via de route die met een blauwe kleur is aangegeven; de andere helft doorloopt de Mach Zehnder via de route die met rood is weergegeven.

Bij aankomst bij spiegel S4 zal het licht vanuit beide routes samenkomen en met elkaar interfereren, waarbij de helft van het licht de Mach Zehnder verlaat via uitgang A en de ander helft via uitgang B.

Laten we de lichtgang door de Mach Zehnder uit afbeelding 38 nu nog eens nader bekijken. We kijken hierbij eerst naar het licht dat vanuit de rode en de blauwe route de Mach Zehnder verlaat via uitgang A. Het licht dat via de blauwe route bij A uit de Mach Zehnder komt zal twee keer via de voorkant van een spiegel zijn gereflecteerd (via spiegel S2 en S4). Het licht dat via de rode route bij A uit de Mach Zehnder komt zal ook twee keer via de voorkant van een spiegel zijn gereflecteerd (via spiegel S1 en S3). Via beide routes is het licht dus twee keer met een halve golflengte verschoven. Als de lengtes van de rode en de blauwe route precies gelijk zijn zullen de beide lichtgolven bij uitgang A dus weer precies op elkaar vallen. Bij uitgang A vindt dus constructieve interferentie plaats.

Laten we nu ook eens kijken naar het licht dat via uitgang B de Mach Zehnder verlaat. Het licht dat de blauwe route doorloopt zal hierbij één keer via de voorkant van een spiegel zijn gereflecteerd (via spiegel S2). Dit licht zal dus één keer over een halve golflengte zijn verschoven. Het licht dat via de rode route bij uitgang B arriveert zal echter twee keer aan de voorkant van een spiegel zijn gereflecteerd ( via spiegel S1 en S3) en is daarom twee keer met een halve golflengte verschoven. Dit licht zal dus over een volledige golflengte zijn verschoven. (Let op: de reflectie via spiegel S4 vindt  plaats aan de achterkant van de spiegel; hier vindt dus geen golflengteverschuiving plaats.) Het licht dat via de blauwe en de rode route bij uitgang B samenkomen zullen dus een halve golflengte van elkaar verschillen. Beide lichtgolven doven elkaar daarom uit; er vindt destructieve interferentie plaats. Als de weg die het licht via de blauwe route aflegt precies even lang is als de weg die het licht aflegt via de rode route dan zal dus alleen licht via uitgang A de Mach Zehnder verlaten. Wordt nu de lengte van een van beide routes iets veranderd dan zullen de lichtgolven die bij de beide uitgangen aankomen iets ten opzichte van elkaar verschoven zijn. De intensiteit van het licht bij zowel uitgang A als uitgang B zullen hierbij veranderen. In sommige toepassingen van een Mach Zehnder wordt uit die intensiteitsverandering de golflengteverschuiving berekend.

Op een fotonische chip kan die intensiteitsverandering aan de uitgangen van de Mach Zehnder ook gebruikt worden om te regelen hoeveel licht via een bepaalde golfgeleider (vergelijkbaar met uitgang A en uitgang B) zijn weg zal vervolgen.

Op een fotonische chip is het hierbij mogelijk om een Mach Zehnder te plaatsen die gebaseerd is op golfgeleiders. De spiegels die zich normaal gesproken meestal in een Mach Zehnder bevinden zijn dan vervangen door koppelaars. Een dergelijke Mach Zehnder is schematisch weergegeven in de onderstaande afbeelding. Deze Mach Zehnder bestaat uit twee golfgeleiders die op twee plaatsen (K1 en K2 ) dicht naast elkaar liggen; op deze twee plaatsen kan koppeling van licht plaatsvinden.

Stel dat licht via de golfgeleider bij ingang I1 de Mach Zehnder binnenkomt. En stel dat de koppeling bij K1 dusdanig is dat 50% van het licht via de bovenste golfgeleider zijn route zal vervolgen en de andere 50% via de onderste golfgeleider. (Koppelaar K1 heeft hierbij dus dezelfde functie als spiegel S1 in de Mach Zehnder van afbeelding 38.) Afhankelijk van het verschil in lengte tussen de onderste en de bovenste route van deze Mach Zehnder zal bij de tweede koppelaar (K2 ) een bepaald percentage licht zijn weg via de bovenste golfgeleider vervolgen (en de rest via de onderste golfgeleider). De tweede koppelaar (K2 ) heeft hiermee dezelfde functie als spiegel S4 in de Mach Zehnder van afbeelding 38. Door bijvoorbeeld met een verwarmingselement de lengte van een van de beide routes tussen K1 en K2 in de Mach Zehnder te veranderen kan geselecteerd worden welk deel van het licht zijn route via uitgang 1 dan wel via uitgang 2 zal vervolgen. De Mach Zehnder heeft hierbij dus de functie om te regelen welk deel van het licht via uitgang 1 dan wel via uitgang 2 zijn weg zal vervolgen.

Op een fotonische chip kan een Mach Zehnder dus gebruikt worden om te selecteren welk deel van het licht via welke golfgeleider zijn weg moet vervolgen.

Wat je moet kennen en kunnen na deze paragraaf "Koppelaars":

• Je kunt uitleggen wat de functie van een koppelaar op een fotonische chip is.

• Je kunt de werking van een micro-ringresonator en van een Mach-Zehnder interferometer uitleggen.

• Je kunt rekenen aan de golflengte van mogelijke staande golven die kunnen voorkomen in een micro-ring.