DE10161329A1

DE10161329A1 - Optisches Beugungselement zum Bereitstellen einer günstigen Mehrmodenfasereinkopplungs-und Reflexionsverwaltung

Info

Publication number: DE10161329A1
Application number: DE10161329A
Authority: DE
Inventors: Christopher L Coleman; Ye Christine Chen
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: US20040008414A1; JP3793718B2; US6856460B2; US20040201893A1; KR100857974B1; GB2370653A; GB2370653B; JP2002277695A; GB0129994D0; KR20020048301A; US6822794B2; DE10161329B4

Abstract

Ein Lichtübertragungssystem umfaßt einen Laser, einen Lichtwellenleiter und eine Übertragungslinse. Die Übertragungslinse überträgt Licht, das von dem Laser emittiert wird, in den Lichtwellenleiter. Die Übertragungslinse umfaßt eine Beugungsoberfläche zum Empfangen und Parallelrichten des Lichts von dem Laser. Die Beugungsoberfläche ist durch eine Oberflächenfunktion definiert, die eine erste Phasenfunktion mit einer Winkelsymmetrie und eine zweite Phasenfunktion mit einer Radialsymmetrie umfaßt. Die zweite Phasenfunktion umfaßt eine Scheitelpunktregion mit einer diskontinuierlichen Neigung in derselben. Die Übertragungslinse liefert Reflexionsverwaltung, so daß Licht, das von dem Ende des Lichtwellenleiters reflektiert wird, nicht an einer Position fokussiert ist, an der Licht durch den Laser emittiert wird, und außerdem günstige Einkopplungsbedingungen, so daß Licht, das in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, Indexanomalien entlang der Achse des Lichtwellenleiters vermeidet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Optik und insbesondere auf ein optisches Beugungselement, das ei ne günstige Mehrmodenfasereinkopplungs- und Reflexionsver waltung liefert.

Ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL; VCSEL = vertical cavity surface emitting laser) emittiert Licht in einem Strahl vertikal von der Oberfläche dessel ben. Licht, das von einem VCSEL emittiert wird, wird typi scherweise durch eine Übertragungslinse in einen Lichtwel lenleiter fokussiert und für die Übertragung von Daten ver wendet. Die Übertragungstechnologie, wie z. B. die Gigabit- Ethernet-Technologie, verwendet VCSEL und eine Mehrmoden lichtwellenleiterverkabelung.

Die sich ständig erhöhende Datenrate über Mehrmodenlicht wellenleitersysteme erfordert eine komplexere Kopplungsop tik für das Übertragungsmodul, um die erforderliche Bit- Fehler-Rate zu erfüllen.

Es gibt zwei wichtige Betrachtungen bei der Entwicklung ei ner Übertragungslinse: 1) Reflexionsverwaltung und 2) Er zeugung einer günstigen Einkopplungsbedingung. Die erste Entwicklungsbetrachtung der Reflexionsverwaltung versucht, die Menge an Licht zu minimieren, die von der Oberfläche des Lichtwellenleiters zurückreflektiert wird (als "Rückre flexionen" oder Rückkopplung bezeichnet) und zu der Licht quelle (z. B. dem Laser) gerichtet wird. Wenn die Reflexio nen nicht richtig verwaltet werden, können die Rückrefle xionen Stabilitätsprobleme bei der Laserquelle bewirken. Genauer gesagt, wenn diese Rückreflexionen nicht gesteuert oder reduziert werden, kann der Laser destabilisiert werden und mit einem rauschenden Ausgabesignal arbeiten. Wenn bei spielsweise zu viel Leistung von der Reflexion von dem Ende des Lichtwellenleiters zurück in den Laser gekoppelt wird, treten in dem Laser Instabilitäten auf und die Ausgabelei stung oszilliert nach oben und nach unten, wodurch zusätz liche und schädigende Mengen von Jitter als die empfangenen Signalpulse bewirkt werden. In anderen Worten ausgedrückt, die Instabilität in dem Laser bewirkt fehlerhafte Datensi gnale.

Ferner kann das erhöhte Rauschen in dem Laser, das durch die Kopplungslinse bewirkt wird, zu Leistungseinbußen bei dem optischen Inhalt der Datenverbindung von bis zu 2,5 dB führen. Es ist offensichtlich, daß die erhöhten Leistungs einbußen aufgrund der Rückreflexionen einen wesentlichen Teil des gesamten Verbindungsleistungsbudgets bzw. -inhalts darstellt, das für eine 2,5-GBit/Sekunde-Datenrate bei ei ner Größenordnung von etwa 8 dB liegt. Dieser nachteilige Effekt von Rückreflexionen oder Rückkopplung wird noch aus geprägter und wesentlicher für Systeme mit einer höheren Datenrate. Das Leistungsbudget für eine 10-GBit/Sekunde- Verbindung wird sogar noch stärker strapaziert als die 2,5- GBit/Sekunde-Verbindung.

Zweitens ist es wichtig, daß der Übertragungslinsenentwurf eine günstige Einkopplungsbedingung an der Lichtwellenlei tergrenzfläche liefert, um das Bandbreite-Abstand-Produkt des Systems zu maximieren. Beispielsweise erfordert eine 2,5-GBit/Sekunden-Verbindung für eine Standard-50- Mikrometer-Gradientenfaser ein Bandbreite-Abstand-Produkt von 500 MHz*km. Gleichartig dazu muß die Faser, d. h. der Lichtwellenleiter, für eine 10-GBit/Sekunde-Verbindung ein Produkt von 2,2 GHz*km unterstützen.

Eine günstige Einkopplungsbedingung sollte die Bandbreite des Systems erhöhen und ist gegenüber einem seitlichen bzw. lateralen Versatz (d. h. einer Fehlausrichtung zwischen dem Laser und der Faser) stabil. Ein Lösungsansatz zum Verbes sern einer günstigen Einkopplungsbedingung ist es, das Ein koppeln des Lichts entlang deren engsten Mitte der Faser zu verhindern. Ein Grund zum Vermeiden der Mitte der Faser ist, daß viele Fasern aufgrund von Herstellungsbegrenzungen Defekte entlang der Mitte der Faser aufweisen. Ferner ist eine Toleranz für einen lateralen Versatz wünschenswert, um jegliche Fehlausrichtung zwischen dem Laser und der Faser zu kompensieren. Andernfalls kann eine Fehlausrichtung in dem System (z. B. Fehlausrichtung zwischen dem Lichtwellen leiter und der Übertragungslinse oder Fehlausrichtung zwi schen der Übertragungslinse und dem Laser) bewirken, daß das Licht von dem Laser den Lichtwellenleiter verfehlt.

Leider weisen die herkömmlichen Übertragungslinsenentwick lungen Mängel entweder beim Adressieren von Rückreflexionen oder beim Bereitstellen von günstigen Einkopplungsbedingun gen auf. Diese Mängel und Nachteile stammen hauptsächlich von Beschränkungen und Schwierigkeiten bei der Linsenherstellung.

Es folgt eine Beschreibung einer Wirbelbeugungslinse für eine Modenanpassung bezüglich einer Gradientenfaser.

Es gab einige Versuche, Beugungselemente als Kopplungsoptik zu verwenden, um Licht in eine Gradientenfaser einzukop peln. Eine solche Studie wird von E. G. Johnson, J. Stack, C. Koehler und T. Suleski in the Diffractive Optics and Mi cro-Optics, Optical Society of America (OSA) Technical Di gest, S. 205-207, Washington, DC, 2000, in einem Artikel mit dem Titel, "Diffractive Vortex Lens for Mode-Matching Graded Index Fiber" berichtet. Diese Veröffentlichung be schreibt einen Lösungsansatz, der ein Beugungselement ver wendet, um die Phase des eingekoppelten Lichts an spezifi sche Moden der Gradientenfaser anzupassen.

Obwohl diese herkömmlichen Lösungsansätze erträgliche Er gebnisse für ideale Punktlichtquellen (d. h. Licht, das ei ne einfache Verteilung aufweist und perfekt kohärent ist) liefern, behandeln diese Lösungsansätze Anwendungen nicht angemessen, die Lichtquellen mit komplexeren Lichtvertei lungen (z. B. einen Mehrmodenlaser) verwenden. Bei diesen spezifischen, realen Anwendungen leidet die Übertragungs linse an einer destabilisierenden Rückkopplung aufgrund einer schlechten Verwaltung der Rückreflexionen, ungünsti gen Einkopplungsbedingungen, die von größeren Mengen von Auf-Achsen-Energie herrühren, oder beidem.

Auf der Basis des vorhergehenden bleibt ein Bedarf an einer Übertragungslinse, die gleichzeitig die Rückreflexion redu ziert und günstige Einkopplungsbedingungen liefert, und die die vorher aufgeführten Nachteile überwindet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Über tragungsbeugungslinse zur Kopplung einer Lichtquelle mit einem lichtleitenden Medium, ein optisches Modul und ein Verfahren zum Herstellen einer Beugungsoberfläche mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Übertragungslinse gemäß An spruch 1, ein optisches Modul gemäß Anspruch 9 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 19 gelöst.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Übertragungslinse zum Übertragen von Licht, das durch eine Lichtquelle (z. B. einen Laser) in ein lichtlei tendes Medium bzw. Lichtleitmedium (z. B. einen Lichtwel lenleiter) emittiert wird, vorgesehen. Die Übertragungslin se umfaßt eine Beugungsoberfläche zum Empfangen und Paral lelrichten bzw. Kollimieren des Lichts, das von der Licht quelle kommt. Die Beugungsoberfläche ist definiert durch eine Oberflächenfunktion, die eine erste Phasenfunktion mit einer Winkelsymmetrie und eine zweite Phasenfunktion mit einer Radialsymmetrie umfaßt. Die zweite Phasenfunktion um faßt eine Scheitelpunktregion mit einer diskontinuierlichen Neigung bzw. unstetigen Steigung. Die Übertragungslinse liefert eine Reflexionsverwaltung, so daß Licht, das von dem Ende des Lichtwellenleiters reflektiert wird, nicht an einer Position fokussiert wird, an der Licht durch die Lichtquelle emittiert wird. Ferner liefert die Übertra gungslinse außerdem günstige Einkopplungsbedingungen, so daß Licht, das in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, Indexanomalien auf der Achse des Lichtwellenleiters und der Kern-Mantel-Grenzfläche vermeidet.

Ein weiterer Vorteil des Übertragungslinsenentwurfs der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Beugungsober fläche der Übertragungslinse eine Reflexionsverwaltung und günstige Einkopplungsbedingungen liefert, was besonders für Mehrmodenlichtwellenleitersysteme vorteilhaft ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Lichtübertragungssystem geschaffen, das einen La ser, einen Lichtwellenleiter und eine Übertragungslinse um faßt. Die Übertragungslinse überträgt Licht, das von dem Laser in den Lichtwellenleiter emittiert wird. Die Übertra gungslinse umfaßt eine Beugungsoberfläche zum Empfangen und Parallelrichten des Lichts, das von dem Laser kommt. Die Beugungsoberfläche ist durch eine Oberflächenfunktion defi niert, die eine erste Phasenfunktion mit einer Winkelsymme trie und eine zweite Phasenfunktion mit einer Radialsymme trie umfaßt. Die zweite Phasenfunktion umfaßt eine Schei telpunktregion mit einer diskontinuierlichen Neigung in derselben. Die Übertragungslinse liefert eine Reflexions verwaltung, so daß Licht, das von dem Ende des Lichtwellen leiters reflektiert wird, nicht an einer Position fokus siert wird, an der Licht durch den Laser emittiert wird, und außerdem günstige Einkopplungsbedingungen, so daß Licht, das in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, In dexanomalien entlang der Achse des Lichtwellenleiters ver meidet.

Die vorliegende Erfindung ist in den Figuren der beiliegen den Zeichnungen, bei denen sich gleiche Bezugszeichen auf ähnliche Elemente beziehen, beispielhaft und nicht begren zend dargestellt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines beispiel haften Lichtübertragungssystems, bei dem die Übertragungslinse gemäß einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwen det werden kann;

Fig. 2A eine beispielhafte erste Phasenfunktion mit einer Winkelsymmetrie;

Fig. 2B eine beispielhafte zweite Phasenfunktion mit ei ner Radialsymmetrie;

Fig. 2C eine Funktion, die die erste Phasenfunktion von Fig. 2A und die zweite Phasenfunktion von Fig. 2B verbindet, gemäß einem bevorzugten Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Beugungsoberfläche der Übertragungslinse, die Treppenmerkmale aufweist;

Fig. 4 Querschnitte von beispielhaften Phasenfunktionen mit Radialsymmetrie und einer Scheitelpunktregi on, die gemäß Ausführungsbeispielen der vorlie genden Erfindung in die Beugungsoberfläche der Übertragungslinse aufgenommen werden kann;

Fig. 5 eine Punktdarstellung für die Übertragungslinse der vorliegenden Erfindung zum Darstellen einer günstigen Einkopplungseinstellung;

Fig. 6 eine Punktdarstellung für die Übertragungslinse der vorliegenden Erfindung zum Darstellen von Re flexionsverwaltung;

Fig. 7 eine Punktdarstellung für eine herkömmliche Übertragungslinse zum Darstellen einer schlechteren Einkopplungsbedingung; und

Fig. 8 eine Punktdarstellung für eine herkömmliche Über tragungslinse zum Darstellen einer schlechten Re flexionsverwaltung.

Ein optisches Beugungselement, das für ein Mehrmodenfa sereinkoppeln und eine Rückkopplungssteuerung optimiert wurde, wird beschrieben. Bei der folgenden Beschreibung sind zu Erklärungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu liefern. Für einen Fachmann auf diesem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind gut bekannte Strukturen und Elemente in Blockdiagrammform gezeigt, um zu verhindern, daß die vor liegende Erfindung unnötig verkompliziert wird.

Es folgt eine Beschreibung des Lichtübertragungssystems 100.

Fig. 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines beispiel haften Lichtübertragungssystems 100, bei dem die Übertra gungslinse 140 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Das Sy stem 100 umfaßt eine Lichtquelle 110 (z. B. einen Laser) zum Emittieren von Licht, ein lichtleitendes Medium 120 (z. B. ein Lichtwellenleiterkabel) und eine Übertragungslinse 140 der vorliegenden Erfindung zum Übertragen von Licht, das durch die Lichtquelle 110 emittiert wird, zu dem licht leitenden Medium 120.

Die Lichtquelle 110 kann ein Halbleiterlaser sein, wie z. B. ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL), dessen Aufbau und Betrieb einem Durchschnittsfach mann auf diesem Gebiet bekannt sind. Das lichtleitende Me dium 120 kann beispielsweise eine 50-Mikrometer- Mehrmodenfaser oder eine 62,5-Mikrometer-Mehrmodenfaser sein, die gut bekannte Typen von Lichtwellenleiterkabeln sind. Die Übertragungslinse 140 der vorliegenden Erfindung liefert ferner günstige Einkopplungsbedingungen und Refle xionsverwaltung (hierin auch als Rückkopplungsverwaltung bezeichnet).

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Übertra gungslinse 140 eine Beugungsoberfläche 150 zum Empfangen und Parallelrichten des Lichts, das von der Lichtquelle kommt, und außerdem zum Liefern von Rückkopplungsverwaltung und günstigen Einkopplungsbedingungen. Die Übertragungslin se 140 umfaßt eine optische Oberfläche 160 (z. B. eine bre chende Oberfläche oder eine Beugungsoberfläche) zum Liefern einer Vergrößerung des Lichts und Fokussieren des Lichts auf das lichtleitende Medium 120. Die Übertragungslinse 140 der vorliegenden Erfindung wird hierin nachfolgend mit Bezugnahme auf Fig. 2-6 näher beschrieben.

Ein Aspekt der Übertragungslinse des bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels ist das Plazieren der Beugungsoberfläche 150 innerhalb des Gehäuses, so daß die Beugungsoberfläche 150 weniger anfällig für Staub und Schäden ist.

Es folgt eine Beschreibung der Beugungsoberfläche 150.

Die Beugungsoberfläche 150 der in Fig. 1 gezeigten Übertra gungslinse ist durch eine Oberflächenfunktion definiert. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung umfaßt die Oberflächenfunktion der Beugungs oberfläche 150 1) eine erste Phasenfunktion, bei der die Phase nur von der Polarwinkelkoordinate der Öffnung bzw. Apertur abhängt (hierin als eine erste Phasenfunktion mit "Winkelsymmetrie" bezeichnet), und 2) eine zweite Phasen funktion, bei der die Phase nur von der Polarradialkoordi nate der Öffnung abhängt (hierin als eine Phasenfunktion mit "Radialsymmetrie" bezeichnet), und ferner eine Schei telpunktregion aufweist. Vorzugsweise ist die zweite Pha senfunktion bezüglich einer imaginären Linie, die durch die Mitte der Öffnung verläuft, symmetrisch, und in der Schei telpunktregion ist eine diskontinuierliche Neigung enthal ten.

Beispiele einer ersten Phasenfunktion mit einer Winkelsym metrie und einer zweiten Phasenfunktion mit einer Radial symmetrie werden nun beschrieben. Fig. 2A stellt eine bei spielhafte erste Phasenfunktion mit einer Winkelsymmetrie dar (z. B. eine Spiralphasenfunktion, bei der m_s = +3). m_s ist eine reelle Zahl (von -INF (minus unendlich) bis +INF (plus unendlich)), die beschreibt, wie schnell sich die Phase ändert, während ein Kreis um die Mitte der Öffnung abgefahren bzw. durchquert wird.

Fig. 2B stellt eine beispielhafte zweite Phasenfunktion mit Radialsymmetrie dar (z. B. eine Konusphasenfunktion, bei der m_c = -2). m_c ist eine reale Zahl (von -INF bis +INF), die beschreibt, wie schnell sich die Phase ändert, während eine radiale Linie von der Mitte der Öffnung abgefahren wird. Die Neigung des Konus steuert die Änderung der Pha senwerte von 0 an der Mitte der Öffnung bis 2.pi.m an dem Rand. Weitere Beispiele einer zweiten Phasenfunktion mit Radialsymmetrie und einer Scheitelpunktregion werden mit Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben.

Fig. 2C stellt eine Funktion dar, die die erste Phasenfunk tion von Fig. 2A und die zweite Phasenfunktion von Fig. 2B gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung kombiniert. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die speziellen "m"-Werte wie folgt ausgewählt: m = +3 für die Phasenfunktion mit Winkelsymmetrie und m = -2 für die Phasenfunktion mit Radialsymmetrie. Die "m"-Werte kön nen durch Abwägen zwischen dem Koppelwirkungsgrad, den Fehlausrichtungstoleranzen und der Rückkopplungsmenge be stimmt werden. Es wird angemerkt, daß diese "m"-Werte ein gestellt werden können, um die Anforderungen einer speziel len optischen Anwendung zu erfüllen.

Es wird angemerkt, daß die Oberflächenfunktion für die Oberfläche 150 andere Phasenterme umfassen kann (z. B. eine dritte Phasenfunktion, eine vierte Phasenfunktion usw.), um die Anforderungen einer speziellen Anwendung zu erfüllen. Diese zusätzlichen Phasenfunktionen oder Phasenterme können beispielsweise Linsenfunktionen, Aberrationssteuerfunktio nen, Prismenfunktionen und Gitterfunktionen umfassen. Diese Begriffe sind für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet bekannt und werden hierin nicht näher beschrieben.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Ober fläche 150 eine Kollimationsoberfläche zum Empfangen und Parallelrichten des Ursprungslichts sein, und der Beugungs aspekt der vorliegenden Erfindung kann in die Oberfläche 160 aufgenommen werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche 160 eine Beugungsoberfläche zum Liefern ei ner Rückkopplungsverwaltung und günstigen Einkopplungsbe dingungen für die Übertragungslinse.

Fig. 3 stellt eine perspektivische Ansicht einer bevorzug ten Beugungsoberfläche der Übertragungslinse dar, die Trep penmerkmale aufweist. Es wird angemerkt, daß das treppenar tige oder stufenartige Merkmal der Beugungsoberfläche ins besondere für eine Herstellung durch Standardhalbleiterpro zesse geeignet ist. Beispielsweise können gut bekannte, in der Lithographie umfaßte Masken und Ätzverarbeitungsschrit te verwendet werden, um die Beugungsoberfläche einer Über tragungslinse der vorliegenden Erfindung zu realisieren. Alternativ kann die Beugungsoberfläche kontinuierliche oder glatte Oberflächenübergänge umfassen. Es wird angemerkt, daß die kontinuierlichen oder glatten Oberflächenübergänge zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit der Übertragungslinse der vorliegenden Erfindung führen können. Dieses alternati ve Ausführungsbeispiel kann jedoch komplexere Verarbei tungsschritte erfordern, die das Drehen oder Fräsen der Beugungsoberfläche umfassen, um eine fortlaufende Neigung zu erhalten.

Fig. 4 stellt Schnittansichten von beispielhaften Phasen funktionen mit Radialsymmetrie und einer Scheitelpunktregi on dar, die gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in die Oberflächenfunktion der Beugungsoberfläche der Übertragungslinse aufgenommen werden kann. Eine erste Phasenfunktion 410 weist einen Querschnitt auf, der ein allgemein konkaves Profil zeigt. Eine zweite Phasenfunktion 420 zeigt einen allgemein dreieckigen Querschnitt. Eine dritte Phasenfunktion 430 weist einen Querschnitt auf, der ein allgemein konvexes Profil zeigt. Es wird angemerkt, daß jede dieser Phasenfunktionen invertiert werden kann und die invertierte Phasenfunktion kann verwendet werden, um ein ähnliches Ergebnis zu erzielen. Beispielsweise ist eine vierte Phasenfunktion 440 eine invertierte Version der er sten Phasenfunktion 410.

Es folgt eine Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbei spiels.

Vorzugsweise umfaßt die Entwicklung des Beugungselements der vorliegenden Erfindung zumindest zwei Phasenfunktionen (d. h. die erste Phasenfunktion mit Winkelsymmetrie kombi niert mit der zweiten Phasenfunktion mit Radialsymmetrie), die oben beschrieben sind.

Nachfolgend wird die Phase Φ von allen Punkten innerhalb der Linsenöffnung mit Polarkoordinaten beschrieben: ρ, θ, wobei ρ der Abstand von dem Punkt von der Mitte der Öffnung ist, und θ der Winkel des Punktes von der x-Achse.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Oberflä chenfunktion des Beugungselements der vorliegenden Erfin dung zumindest eine erste Phasenfunktion mit Winkelsymme trie (z. B. eine Spiralphasenfunktion), kombiniert mit ei ner zweiten Phasenfunktion mit Radialsymmetrie (z. B. eine Konusphasenfunktion). Die Oberflächenfunktion kann bei spielsweise wie folgt ausgedrückt werden:

Φ = m_s.θ + 2 πm_c.ρ.

Die Spiralphasenfunktion kann wie folgt ausgedrückt werden:

Φ = m_s.θ,

wobei "m_s" eine reelle Zahl, -INF bis +INF, ist, die be schreibt, wie schnell sich die Phase ändert, während ein Kreis um die Mitte der Öffnung abgefahren wird.

Die Konusphasenfunktion kann wie folgt ausgedrückt werden:

Φ = 2πm_c.ρ

wobei "m_c" eine reelle Zahl, -INF bis +INF, ist, die be schreibt, wie schnell sich die Phase ändert, während eine radiale Linie von der Mitte der Öffnung abgefahren wird. ρ ist eine normierte radiale Koordinate, so daß ρ an dem Rand der Öffnung gleich 1 ist, und ρ in der Mitte der Öffnung gleich 0 ist.

Wie vorher angemerkt wurde, können andere Phasenfunktionen oder Phasenterme zu der obigen Oberflächenfunktion hinzuge fügt werden, um die optischen Eigenschaften des Beugungs elements näher zu beschreiben.

Fig. 5-8 zeigen simulierte Lichtverteilung an der Faser und Rückkopplungsebenen für die Übertragungslinse der vor liegenden Erfindung und den herkömmlichen Übertragungslin senentwurf für eine Mehrmodenlaserquelle (z. B. eine Mehr moden-VCSEL-Quelle).

Fig. 5 ist eine Punktdarstellung für die Übertragungslinse der vorliegenden Erfindung zum Darstellen einer günstigen Einkopplungsbedingung. Es wird angemerkt, daß die Übertra gungslinse der vorliegenden Erfindung eine sehr wirksame Kopplung liefert und außerdem die Mitte der Faser vermei det. Insbesondere liefert die Beugungsoberfläche 150 gün stige Einkopplungsbedingungen, so daß Licht, das in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, die Indexanomalien auf der Achse des Lichtwellenleiters und an der Kern-Mantel- Grenzfläche vermeidet. Fig. 6 ist eine Punktdarstellung für die Übertragungslinse der vorliegenden Erfindung zum Dar stellen der Reflexionsverwaltung. Es wird angemerkt, daß die Übertragungslinse der vorliegenden Erfindung durch Richten von Reflexionen weg von der Lichtquelle sehr gute Rückkopplungsverwaltung liefert.

Fig. 7 ist eine Punktdarstellung für eine herkömmliche Übertragungslinse, die erhöhte Energie zeigt, die entlang der Achse des Lichtwellenleiters eingekoppelt wird. Im Ge gensatz zu Fig. 5 liefert die herkömmliche Übertragungslin se schlechtere Einkopplungsbedingungen, da mehr Energie in die Mitte des Lichtwellenleiterkabels eingekoppelt wird. Wie vorher beschrieben wurde, ist es ungünstig, Energie in die Mitte einzukoppeln, da die Herstellungsdefekte in derselben die Bandbreite des Systems nachteilig beeinflussen oder verringern können.

Fig. 8 ist eine Punktdarstellung für eine herkömmliche Übertragungslinse zum Darstellen von schlechter Reflexions verwaltung. Im Gegensatz zu Fig. 6 liefert die herkömmliche Übertragungslinse eine schlechte Reflexionsverwaltung, da mehr Licht zurück in die Lichtquelle reflektiert wird. Folglich kann die Lichtquelle aufgrund schlecht verwalteter Rückkopplung unter Stabilitätsproblemen leiden.

Bei der vorhergehenden Beschreibung wurde die Erfindung mit Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele derselben beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen durchgeführt werden, ohne von dem breiteren Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Spezifizierung und die Zeichnungen sind dementsprechend in einem darstellenden und nicht in einem beschränkenden Sinne anzusehen.

Das Beugungselement der vorliegenden Erfindung wurde bei spielsweise im Zusammenhang des Einkoppelns von Licht von einem Mehrmodenlaser in ein Lichtwellenleitermedium be schrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß das Beugungs element der vorliegenden Erfindung auf viele unterschiedli che Anwendungen in einer großen Zahl von unterschiedlichen Bereichen angelegt werden kann. Das Beugungselement der vorliegenden Erfindung ist bei jeder Anwendung vorteilhaft, bei der Licht von einer Lichtquelle mit einer komplexen Lichtverteilung mit einem anderen lichtleitenden Medium ge koppelt werden muß. Das Beugungselement der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise verwendet werden, um Licht zwischen zwei Mehrmodenfasern zu übertragen.

Claims

1. Übertragungsbeugungslinse (140) zum Koppeln einer Lichtquelle (110) mit einem Lichtleitmedium (120), die folgende Merkmale umfaßt:
eine Beugungsoberfläche (150), die durch eine Oberflä chenfunktion definiert ist, die folgende Merkmale um faßt:
eine erste Phasenfunktion mit einer Winkelsymme trie und
eine zweite Phasenfunktion mit einer Radialsymme trie und einer Scheitelpunktregion;
wobei die Scheitelpunktregion eine diskontinuierliche Neigung in derselben aufweist.

2. Übertragungslinse (140) gemäß Anspruch 1, bei der die erste Phasenfunktion eine Spiralphasenfunktion ist, und bei der die zweite Phasenfunktion eine Konuspha senfunktion ist.

3. Übertragungslinse (140) gemäß Anspruch 2, bei der die Spiralphasenfunktion wie folgt ausgedrückt werden kann:
Φ = m_s.θ,
wobei "m_s" eine reelle Zahl ist, die beschreibt, wie schnell sich die Phase ändert, während ein Kreis um die Mitte der Öffnung abgefahren wird; und bei der die Konusphasenfunktion wie folgt ausgedrückt werden kann:
Φ = 2πm_c.ρ,
wobei "m_c" eine reelle Zahl ist, die beschreibt, wie schnell sich die Phase ändert, während eine radiale Linie von der Mitte der Öffnung abgefah ren wird.

4. Übertragungslinse (140) gemäß Anspruch 3, bei der m_s gleich 3 und m_c gleich -2 ist.

5. Übertragungslinse (140) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Übertragungslinse (140) eine Refle xionsverwaltung liefert, so daß Licht, das von dem En de des Lichtwellenleiters reflektiert wird, nicht zu einer Position geleitet wird, an der Licht durch den Laser emittiert wird.

6. Übertragungslinse (140) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Übertragungslinse günstige Einkopp lungsbedingungen liefert, so daß Licht, das in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, Indexanomalien entlang der Achse des Lichtwellenleiters vermeidet.

7. Übertragungslinse (140) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner folgende Merkmale umfaßt:
eine optische Oberfläche (160) zum Fokussieren des Lichts auf den Lichtwellenleiter; und
wobei die Beugungsoberfläche (150) das Licht, das von einer Lichtquelle (110) kommt, empfängt und parallel richtet.

8. Übertragungslinse (140) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner folgende Merkmale umfaßt:
ein Gehäuse zum Unterbringen der Lichtquelle (110);
wobei die Beugungsoberfläche (150) in dem Gehäuse an geordnet ist.

9. Optisches Modul zur Kopplung mit einem Lichtwellenlei ter, das folgende Merkmale umfaßt:
einen Laser zum Emittieren von Licht;
eine Übertragungslinse (140) zum Übertragen von Licht, das durch den Laser in den Lichtwellenleiter emittiert wird; wobei die Übertragungslinse (140) folgendes Merkmal umfaßt:
eine Beugungsoberfläche (150), die durch eine Oberflächenfunktion definiert ist, wobei die Oberflächenfunktion eine erste Phasenfunktion um faßt, die mit einer zweiten Phasenfunktion kombi niert ist, zum Liefern von einer günstigen Ein kopplungsbedingung und einer günstigen Reflexi onsverwaltung.

10. Optisches Modul gemäß Anspruch 9, bei dem die erste Phasenfunktion eine Winkelsymmetrie aufweist, und bei dem die zweite Phasenfunktion eine Radialsymmetrie und eine Scheitelpunktregion mit einer diskontinuierlichen Neigung aufweist.

11. Optisches Modul gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die Übertragungslinse (140) eine Reflexionsverwaltung lie fert, so daß Licht, das von dem Ende des Lichtwellen leiters reflektiert wird, nicht zu einer Position ge leitet wird, an der Licht durch den Laser emittiert wird.

12. Optisches Modul gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Übertragungslinse günstige Einkopplungsbe dingungen liefert, so daß Licht, das in den Lichtwel lenleiter eingekoppelt wird, Indexanomalien entlang der Achse des Lichtwellenleiters vermeidet.

13. Optisches Modul gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das optische Modul entweder ein optischer Emp fänger, ein optischer Sender oder ein optisches Sen de/Empfangsgerät ist.

14. Optisches Modul gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die erste Phasenfunktion eine Spiralphasen funktion ist, und bei dem die zweite Phasenfunktion eine Konusphasenfunktion ist.

15. Optisches Modul gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem die Spiralphasenfunktion wie folgt ausgedrückt werden kann:
Φ = m_s. θ,
wobei "m_s" eine reelle Zahl ist, die beschreibt, wie schnell sich die Phase ändert, während ein Kreis um die Mitte der Öffnung abgefahren wird; und
bei dem die Konusphasenfunktion wie folgt ausgedrückt werden kann:
Φ = 2πm_c.ρ,
wobei "m_c" eine reelle Zahl ist, die beschreibt, wie schnell sich die Phase ändert, während eine radiale Linie von der Mitte der Öffnung abgefahren wird.

16. Optisches Modul gemäß Anspruch 15, bei dem m_s gleich 3 und m_c gleich -2 ist.

17. Optisches Modul gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, das ferner folgendes umfaßt:
eine optische Oberfläche (160) zum Fokussieren des Lichts auf den Lichtwellenleiter; und
bei dem die Beugungsoberfläche (150) das Licht von dem Laser empfängt und parallel richtet.

18. Übertragungslinse (140) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 17, die ferner folgendes umfaßt:
ein Gehäuse zum Unterbringen der Lichtquelle (110);
wobei die Beugungsoberfläche (150) in dem Gehäuse an geordnet ist.

19. Verfahren zum Herstellen einer Beugungsoberfläche (150) für eine Verwendung bei einer Übertragungslinse (140), das folgende Schritte umfaßt:
Definieren einer ersten Phasenfunktion mit einer Win kelsymmetrie;
Definieren einer zweiten Phasenfunktion mit einer Ra dialsymmetrie und einer Scheitelpunktregion;
wobei die Scheitelpunktregion eine diskontinuierliche Neigung in derselben aufweist;
Definieren einer Oberflächenfunktion, die die erste Phasenfunktion und die zweite Funktion umfaßt; und
Verwenden von Halbleiterverarbeitungstechniken, um ei ne Beugungsoberfläche (150) für die Verwendung bei der Übertragungslinse (140) gemäß der Oberflächenfunktion herzustellen.

20. Verfahren gemäß Anspruch 19, das ferner folgenden Schritt umfaßt:
Hinzufügen einer dritten Phasenfunktion zu der Ober flächenfunktion;
wobei die dritte Phasenfunktion entweder eine Linsen phasenfunktion, eine Aberrationssteuerphasenfunktion, eine Prismaphasenfunktion und eine Gitterphasenfunkti on umfaßt.