DE1572769A1

DE1572769A1 - Dielektrischer optischer Wellenfuehrer

Info

Publication number: DE1572769A1
Application number: DE19671572769
Authority: DE
Inventors: Mcdowell William Albert; Anderson Dean Brown; Plonski Siegfried Gerhart; August Rudolf Robert
Original assignee: North American Rockwell Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1966-12-07
Filing date: 1967-12-04
Publication date: 1970-08-20
Also published as: JPS5336147B1; GB1168687A; NL6712629A; US3563630A

Description

North American Rockwell Corporation, Bl Segundo/California (USA)

Dielektrischer optischer Wellenftihrer

Gegenstand der Erfindung ist ein optischer Wellenführer. Die zurzeit im Gebrauch befindlichen optischen WellenfUhrer weisen eine Reihe von Linsen oder Spiegeln auf sowie belegte oder unbelegte Glasfäden. Die Verwendung von linsen oder Spiegeln bei außerordentlich kleinen Einrichtungen dieser Art ist nur schwer oder gar nicht durchführbar. Belagfreie Glasfäden mit Durchmessern, die kleiner als eine Wellenlänge sind, pflanzen das Licht nach einem einzelnen Modus als eine Welle mit einer zylindrischen fläche fort, wobei der größte Teil der Energie außerhalb des Glasfadens weitergeleite* wird. Obwohl solche

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belagfreien Glasfaden hergestellt werden können, so gibt es jedoch kein Mittel, die Glasfaden abzustützen, ohne die von den Fäden weitergeleiteten Oberflächenwellen zu stören. Die Verwendung von Glasfaden mit einem einigen Wellenlängen gleichen Durchmesser führt zu einer Portpflanzung nacn mehreren Modi, d.h., wenn im Glasfaden ein einzelner Modus erregt wird, so führen geringe Oberfläohenunragelmäßigkeiten zu weiteren Modi, die zufallsweise mit einander verkoppelt sind. Diese Erscheinung führt zu einer Verzerrung des Signals. Während mit einem Belag versehene Glasfäden die Weiterleitung einer zylindrischen Welle nach einem einzelnen Modus im Belag ermöglichen (unter der Annahme, dass die Dicke des Belags in der Größenordnung von einigen Mikron liegt), so ist es jedoch schwierig, solche belegten Glasfäden in optische Mikrokreise einzuführen.

Die Erfindung sieht einen optischen Wellenführer vor, der die oben angeführten Mängel nicht aufweist. Das Ziel der Erfindung wird mit einer Einrichtung erreicht, die gekennzeichnet ist durch eine Unterlage, durch einen Streifen eines dielektrischen Materials auf der Unterlage, wobei die Querschnittsabmessungcn des Streifens den optischen Wellenlängen entsprechen, und durch eine Lage eines Materials, das eine andere Brechzahl aufweist als das dielektrische Material, welche Lage zwischen dem Streifen und der Unterlage angeordnet ist.

Im günstigsten Palle entsprechen die Querschnittsabmessungen des Streifens des dielektrischen Materials Bruchteilen , einer Wellenlänge des zuführenden Lichtes, wobei die Breite des Streifens ungefähr die halbe Wellenlänge des zu führenden.Lichtes und üie Dicke des Streifens nicht mehr als dessen Breite beträgt. Da₀ dielektrische Material besteht vorzugsweise aus AIpO,,

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Oe₂O₅, LaT₃, La₂O₃, MgI₂, MgO, SiO, SiO₂, Si₃I₄, Y*₃ oder I₂O₃, während die eine Lage aus einem Metall und die andere Lage aus einem Dielektrikum besteht.

Um die Zuverlässigkeit zu fördern, wird der Streifen des dielektrischen Materials Torzugsweise mit einem Metallbelag versehen? die Unterlage besteht vorzugsweise aus einem Halbleiter, während die Materiallage aus einer Verbindung des Halbleiters oder aus Luft besteht·

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Brechzahl des Streifens des dielektrischen Materials größer als die Brechzahl der Materiallage.

Bei einer anderen Ausführungeform der Erfindung ist der optische Wellenführer gekennzeichnet durch eine Lage eines Metalls, durch ein auf der genannten Lage angeordnetes dielektrisches Band, auf dem ein Metallband angeordnet ist.

Bei dieser Aueführungsform wird vorzugsweise entweder die Breite des dielektrischen Bandes mit ungefähr der halben Wellenlänge des zu führenden Lichtes und die Dicke mit nicht mehr als dessen Breite bemessen, oder die Breite des dielektrischen Bandes wird mit weniger als die halbe Wellenlänge bemessen, während die Dicke des dielektrischen Bandes nicht mehr als dessen Breite beträgt, wobei die Breite des Metallbandes ungefähr eine halbe Wellenlänge des zu führenden Lichtes beträgt· In beiden letztgenannten JFällen wird die Metallschicht vorzugsweise auf einer Unterlage angeordnet.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In den beiliegenden Zeichnungen ist die

Pig.1 eine zum Teil als Schnitt und stark vergrößert gezeichnete schaubildliche Darstellung einer Ausführungsform

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eines dielektrischen optischen Wellenführers nach der Erfindung,

Pig.2 eine schaubildliche Darstellung, die zeigt, in welcher Weise der dielektrische optische Wellenführer zum Weiterleiten des Lichtes verwendet wird,

Fig.3a, 3b je eine schematische Darstellung der elektrischen und magnetischen Feldlinien, die in einem typischen dielektrischen Wellenführer bei einem zusammengesetzten elektrischen Modus der niedrigsten Ordnung auftreten, wobei die Fig.3a den Fall zeigt, in dem der Wellenführer von einer Unterlage isoliert ist, während die Fig.3b den Fall zeigt, in dem der Wellenführer auf einer dielektrischen Unterlage ruht,

Fig.4 ein Brillouin-Diagramm, das sich auf die Phasengeschwindigkeit und die Gruppengeschwindigkeit des von einem dielektrischen Wellenführer weitergeleiteten Lichtes in bezug auf die Frequenz des Lichtes bezieht,

Fig.5 eine zum Teil als Schnitt gezeichnete schaubildliche Darstellung einer zweiten Ausführung«form der Erfindung,

Fig.6 eine zum Teil als Schnitt gezeichnete schaubildliche Darstellung einer Ausführung eines dielektrischen Wellenführers, mit dem eine Welle zurückgeleitet werden kann,

Fig.7 eine zum Teil als Schnitt gezeichnete schaubildliche Darstellung eines mit einem Metallbelag versehene":= dielektrischen Wellenführers*

Fig«8 eine zum Teil als Schnitt geEGioiinate seliaubiXalicfce Darstellung eines dielektrisch®!! Wellenführers mit ■

einem allgemein T-föraigsn Querschnitt. 003834/0203

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Fig.9 eine schaubildliche Darstellung einer weiteren anderen Ausi'hrungsform der Erfindung, bei der ein dielektrischer Wellenführer zwischen zwei Traggliedern auf einer gemeinsamen Unterlage aufgehängt ist, wobei die Tragglieder aus einer Lichtquelle und einer lichtempfindlichen Einrichtung bestehen können, fig«, 10 ein Querschnitt nach der Linie 10-10 in der Fig.9,

Die Fig.i zeigt eine typische Ausführung eines dielektrischen optischen Wellenführers 1 nach der Erfindung, der auf einer Unterlage 2 angeordnet ist, die ZoB. aus einem Halbleiter wie Silikon, ein Metall oder aus einem dielektrischen Material bestehen kann. Auf der Unterlage 2 befindet sich eine dielektrische Schicht 3 mit einer Brechzahl n.. Auf der dielektrischen Schicht 3 befindet sich ein Streifen oder ein Band 4 eines dielektrischen Materials mit einer Brechzahl n^* ^D^^e Brechzahl n₂ soll bei der Wellenlänge des weiterzuleitenden Lichtes nicht größer als n.j sein»

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Breite des dielektrischen Bandes 4 ungefähr ein Halb der Wellenlänge des vom Wellenführer 1 weitergeleiteten Lichtes. Der hiernach gebrachte Ausdruck "Führerwellenlänge" bezieht sich auf die Wellenlänge des im dielektrischen Mediums weitergeleiteten Lichtes ο Die Dicke des dielektrischen Bandes 4 soll niGht größer als dessen Breite sein, und das Band sollvorzugsweise wesentlich dünner sein, als dessen Breite beträgt. Da die Breite die größte QuerSchnittsabmessung des dielektrischen Bandes 4 ist, so bestimmt diese Abmessung zum größten Teil den Modus der niedrigsten Ordnung, nach dem im dielektrischen Wellenführer die Weiterleitung erfolgt.

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Wird nach der Fig,2 das Licht aus einer äußeren Lichtquelle 5 in das eine Ende des Bandes 18 eingeführt, so wird das einfallende Licht im dielektrischen Wellenführer 15 weitergeleitet und tritt am entgegengesetzten Ende aus. Obwohl nach der ■pig.2 der Wellenführer 15 der Ausführung nach der Fig,1 ähnlich ist (und die Unterlage 16 und die dielektrische Schicht 17 aufweist), so können einige Ausführungen des dielektrischen Wellenführers nach der Erfindung in einer Lichtübertragungseinrichtung verwendet werden, wie in der Fig. 2 dargestellt.

Nach der Fig.2 kann ein kohärentes oder nicht-kohärentes Licht aus.einer Lichtquelle 5 unter Verwendung z.B. einer Linse 6 auf das eine Ende des Bandes 18 fokussiert werden. Andererseits kann die Lichtquelle auch unmittelbar an dem einen Ende des Wellenführers 15 angeordnet werden, in welchem Falle kein Fokussierungsmittel erforderlieh ist. Das Licht 19 tritt jedoch in jedem Falle am entgegengesetzten Ende des 7/ellenführers t aus. Unmittelbar am Ende des Bandes 18 kann eine nicht dargestellte, das Licht ausnutzende Einrichtung angeordnet werden, oder das Licht 19 kann z.B. mittels einer weiteren Linse auf eine solche Einrichtung gerichtet werden.

Ungleich einer elektromagnetischen Fortpflanzung in einem hohlen, Metallwandungen aufweisenden Wellenführer wird das von einem dielektrischen Wellenführer 1 (3?ig.1) weitergeleitete Licht nicht gänzlich vom dielektrischen Band 4 eingeschlossen. Dies ist eine Folge des Umstandes» dass im Gegensatz zu einem ' Metallwandungen aufweisenden Wellenführer fortlaufende senkrecht . als auch quer verlaufende Komponenten der elektrischen und magnetischen Felder an den Grenzen des Dielektrikums bestehen können. Diese Erscheinung ist in der Fig.3 dargestellt.

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Die Pig.3a zeigt in sehematischer Darstellung die Verteilung des elektrischen und magnetischen Feldes in einem rechteckigen dielektrischen Wellenführer, der eine Weiterleitung nach einem zusammengesetzten Ifodus der niedrigsten Ordnung bewirkt. Nach der Darstellung befindet sich das dielektrische Band 8 vollständig eingeschlossen in einem dielektrischen Medium, dessen Brechzahl kleiner ist als die des Bandes, wobei die Komponenten 9 des elektrischen Feldes und die Komponenten 10 des magnetischen ^T eldes die Form fortlaufender Feldlinien annehmen. Obwohl nach der Fig.3a die elektrischen Feldlinien 9 in der senkrechten Ebene und die magnetischen Feldlinien 10 in der waagerechten Ebene verlaufen, so kann die Lage in einigen Fällen die umgekehrte sein. Es wird darauf hingewiesen, dass die Komponenten des elektrischen und des magnetischen Feldes sich zum Teil über die Außenseite des dielektrischen Bandes hinaus erstrecken. Die Abmessung / in der Fig.3a stellt die Führerwellenlänge des weitergeleiteten Lichtes dar.

Die Fig.3b zeigt die störende Einwirkung auf die Weiterleitung nach einem zusammengesetzten Lodus, wenn ein dielektrisches Band 11 auf einer dielektrischen Schicht 12 ruht, die eine kleinere Brechzahl als das Band 1t aufweist. Das dielektrische Band 11 und die Schicht 12 können dem Band 4 und der dielektrischen Schicht 3 des typischen optischen Wellenführers nach der Fig.1 entsprechen. Ein Vergleich der Figuren 3a und 3b mit einander zeigt z.B., dass die Komponenten 13* des elektrischen Feldes sich weiter über das Band 11 hinaus (und in die dielektrische Schicht 12 hinein) erstrecken als die Komponenten 9 des elektrischen Feldes, die sich vom aufgehängten dielektrischen Band 8 aus (Fig.3a) in den freien Baum hinein erstrecken.

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Diese Erscheinung ist eine Folge des Umstandes, dass die dielektrische Schicht 12 eine höhere Brechzahl aufweist als der freie Raum (jedoch eine kleinere Brechzahl als das Band 11). Der verkleinerte Unterschied der Brechza: len an der Zwischenfläche zwischen dem Band 11 und der Schicht 12 (im Vergleich zum Unterschied der Brechzahlen zwischen dem Band 8 und dem freien Saum) führt zu einer Herabsetzung der Fähigkeit des dielektrischen Bandes, die Felder zusammenzuhalten. Y/ie aus der Fig.3h weiterhin zu ersehen ist, werden die Komponenten 14 des magnetischen Feldes, die in zur dielektrischen Schicht 12 allgemein parallelen Ebenen verlaufen, in den unteren Bezirken des Bandes 11 gleichfalls etwas gestört, und im besonderen ist eine Feldkrümmung die Folge, da die Fähigkeit des Bandes 8, das Feld zusammenzuhalten, schwächer wird. Wird der dielektrische Wellenführer nach der Fig.3b auf einer metallischen Unterlage (nicht dargestellt) angeordnet, so wäre eine weitere Störung der vom Band 11 geführten elektrischen und magnetischen Felder die Folge. Im besonderen würde die Zwischenfläche zwischen der dielektrischen Schicht 12 und der darunterliegenden metallischen Schicht als eine Grenze wirken, unterhalb der die elektrischen Feldkomponenten nicht bestehen können.

Die in den Figuren 3a und 3b dargestellten Formen der Felder sind selbstverständlich typisch und stellen nur einen möglichen Fortpflanzungsmodus durch den elektrischen Wellenführer dar. Von dem dielektrischen optischen V/ellenführer nach der Erfindung kann eine Weiterleitung auch nach anderen Modi höherer Ordnung erfolgen unter Einschluss einiger Modi mit nur einer in der Längsrichtung verlaufenden Feldkomponente. Ein weiteres Lerkmal des dielektrischen optischen

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Wellenführers nach der Erfindung ist die Abwesenheit falsch eingeführter, mit einander verkoppelter Modi höherer Ordnung. Führt das in einen dielektrischen Wellenführer eingeführte Licht zu einem, einzelnen Modus (z.B. der in der Fig.3 dargestellte zusammen gesetzte kodus), so erfolgt die Weiterleitung im Wellenführer nach diesem Modus allein,, Ss hat sich gezeigt, dass selbst geringe Unregelmäßigkeiten an den Kanten des dielektrischen Bandes (wie das Band 4 in der Fig.1) nicht zu unerwünschten, mit einander verkoppelten Modi höherer Ordnung führen. Der dielektrische Wellenführer nach der Erfindung kann daher 2oB. in optischen Informationsverarbeitungseinrichtungen verwendet werden, bei denen die geringste räumliche Signalverzerrung erforderlich ist.

Das Brillouin-Diagramm in der Mg.·4 ( ^ - /3 ) zeigt die typischen Dispersionsmerkmale eines dielektrischen optischen Wellenführers. In der Fig.4 ist die Frequenz co des vom Wellenführer weitergeleiteten Lichtes längs der Ordinate und die Fortpflanzungskonstante /j (in Radian-Phasenverschiebung pro Längeneinheit) längs der Abszisse aufgetragen. Die Fortpflanzungskonstante wird bestimmt durch die Gleichung

/5 = n(cu) i£ (1)

wobei n( ^- ) die Brechzahl des dielektrischen Mediums, ο die Frequenz des weitergeleiteten Lichtes und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Brechzahl eines Materials selbst eine Funktion der Frequenz sein kann.

Das *>■< -fi -Diagramm zeigt die Phasengeschwindigkeit und die Gruppengeschwindigkeit des in einem Wellenführer weitergeleiteten Lichtes als Funktion der Frequenz. Dies geht daraus hervor, dass die Phasengeschwindigkeit ν bestimmt wird durch die

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Gleichung v = ~— (2)

wobei die Gruppengeschwindigkeit V₀. bestimmt wird durch die

Gleichung _jv

^Tg ⁼ ~ -

In der Mg.4 stellen die beiden mit 20 und 21 "bezeichneten radialen Linien die Geschwindigkeit einer ebenen .«"eile im freien Raum und in einem nicht_zerstreuenden Dielektrikum mit der Brechzahl η dar. Die Kurve 23 ist typisc— für die Dispersion des kodus der nirdrigsten Ordnung, nach dem die Weiterleitung in einer herkömmlichen, mit Luft gefüllten und Metallwandungen aufweisenden rechteckigen Wellenführer erfolgt, wobei der Schnittpunkt mit der Ordinate ( oj ) die Sperrfrequenz des Wellenführers darstellt.

Das Brillouin (to - /3 )-Diagramm in der Fig.4 wird verständlich bei Würdigung des Umstandes, dass die Brechzahl eines dielektrischen Materials nicht konstant sondern vielmehr eine Punktion der Frequenz ist. Wie allgemein durch den Linienabschnitt 22 dargestellt, zeigt eine Abweichung einer Kurve von einem Strahl eine Dispersion im dielektrischen Material an. Die Neigung einer w- /3 -Kurve an einem bestimmten Punkt stellt die Gruppengeschwindigkeit eines Signals mit der Frequenz '^ in einem Wellenführer dar. In der 3?ig<,4 ist z.B. die Kurve 24 typisch für die Dispersion eines dielektrischen Wellenführers z.B. nach der IPig.1, Bei einem solchen ',v'ellenfünrer wäre die Gruppengeschwindigkeit bei einem Licht mit der Frequenz ^₁ gegeben durch die Neigung 25^r (oder durch (^y^) der Kurve 24 am Punkt Bei dieser frequenz würde die Phasengeschwindigkeit durch den Wert W₁/ /äj bestimmt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Neigung 25* der Kurve 24 am Punkt 25 (d.h.die Phasengeschwin-

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digkeit) positiv und die Gruppengeschwindigkeit gleichfalls positiv ist, so dass das Licht mit der Frequenz ω im Wellenführer nach der Fig.1 als Vorwärtswelle weitergeleitet wird.

Der in der Pig«1 dargestellte Wellenführer 1 kann z.B. durch Anwendung von an sich bekannter Aufdampfverfahren oder photolithographischer Verfahren hergestellt werden. Die Herstellung kann z.B. mit einer Unterlage 2 (Pig.1) aus einem Halbleiter wie Silikon begonnen werden. Die dielektrische Schicht 3 kann z.B· aus einer dielektrischen Verbindung des Halbleitermaterials der Unterlage bestehen. Al3 Beispiel sei ferner angeführt, dass eine dielektrische Schicht 3 auf einer Silikonunterlage 2 in der Weise erzeugt werden kann, dass die Unterlage in einer evakuierten Kammer der Einwirkung von Wasserdampf oder einer Säuerstoffatmosphäre ausgesetzt wird.

Als Beispiele für dielektrische Materialien, die für das dielektrische Band 4. verwendet werden können, seien angeführt Al₉O,, OaP₉, CeO,, LaP,, La₉O,, UgF₉, MgO, Si,N., 'YP- und

C. J C- J J C. J C. J ¹T J

YpO-i, welche Zusammenstellung jecoch keine Beschränkung auf diese Substanzen bedeutet. Viie aus der nachstehenden Tabelle 1 zu ersehen ist, weisen die meisten dieser dielektrischen Materialien eine Brechzahl auf, die größer ist als die des Silikondioxids (SiO₂), das eine Brechzahl von 1,4 im Spektralbezirk zwischen ein und zwei Mikron aufweist.

Tabelle 1

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Tabelle

Material	Brechzahl (zwischen 1 und 2 Mikron)
Al₂O₅	1,8
CaP₂	1,4
CeO₅	2,2
LaP,	1,6
La₂O₅	1,8
MgP₂	1,4
MgO	ΐ,7
Si₅N₄	2,1
YP₅	1,6
Y₂O₅	1,8

Zum Erzeugen des Bandes 4 kann die Unterlage 2 zusammen mit der Schicht 3 in eine evakuierte Kammer eingetragen werden, in der eine Schicht de_u gewünschten dielektrischen Materials für das Band durch Aufdampfen, Aufspritzen oder unter Anwendung anderer, an sich bekannter Verfahren erzeugt werden kann. Die Dicke dieser aufgetragenen dielektrischen Schicht beträgt 0,2 bos 0,3 iviikron und soll der gewünschten Dicke des Baiides 4 entsprechen. Um das Band 4 herzustellen, v/erden dann Teile dieser aufgetragenen dielektrischen Schicht wahlweise weggeätzt. Da die meisten Ätzmittel, die die in der Tabelle 1 angeführten dielektrischen Materialien angreifen auch die herkömmlichen Photowiderstände angreift, so kann ein Abdeckun/jijverf uhren der nachstehend beschriebenen Art angewendet werden.

Wird für das Band 4 al η Llaterial AIpO, gewählt, so wird in der zuvor beschriebenen Weise zuerst auf der oilikonur.terlage 2 und der dielektrischen Schicht 3 aus SiO_? eine Schicht dieses dielektrischen ilaterifjlij erzeugt. Obwohl zum

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wahlweisen Wegätzen des Al₃O^, ohne die darunterliegende SiO₂-achicht abzugreifen, heiße Phosphorsäure benutzt werden kann, ao greift diese Säure jedoch die herkömmlichen photoresistenden •Materialien an, wie Kodak KPR oder Shipley AZ. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wird auf die Al₂0.,-Schicht eine Metallschicht ZeB. aus Gold durch Aufspritzen oder nach einem anderen Verfahren aufgetragen. Hiernach wird ein photoresistentes Material, wie KPR oder AZ auf die Metallschicht aufgetragen.

Nachdem das photoresistente Material mit einem Abbild der gewünschten Form des Bandes 4 belichtet worden ist, wird das Material polymerisiert, und die Bezirke der Metallschicht, die immer noch mit dem photoresistenten Material bedeckt sind, werden mit einer an sich bekannten Iod-Atzlösung entfernt. Diese Lösung greift das Gold an, jedoch nicht die darunterliegende AlpO^-Schicht. Das photoresistente Material wird dann mit Hilfe herkömmlicher Abstreifmittel entfernt» In diesem Zeitpunkt besteht das Ganze der Reihe nach aus ungeätzten Schichten aus Silikon (Unterlage 2), aus SiO₂ (Schicht 3) und aus einem Band aus Gold, das so geätzt wurde, dass es dem gewünschten i«^lorm des Bandes 4 gleicht.

■ Unter Benutzung des geätzten Goldbandes als Abdeckung kann heiße Phosphorsäure, die auf einer Temperatur von 60 bis 85°0 gehalten wird, zum wahlweisen 7/egätzen des Al₂O, benutzt werden, wobei das Band 4 erzeugt wird. Die Phosphorsäure greift das SiO₂ nicht an. Schließlich wird das-Goldband mittels einer Iod-Atzlösung entfernt. Das resultierende Erzeugnis hat dao Aussehen des in der Jj¹Ig₀1 dargestellten Wellenführers.

Das bei dem oben beschriebenen Verfahren benutzte •photoresistente Material kann mittels einer mikrophoto&raphische.

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Verkleinerung einer Zeichnung des gewünschten Wellenführerbandes belichtet werden. Obwohl die dielektrischen Bänder (z.B. das Band 1 in der Figei) in den verschiedenen Figuren als gerade Abschnitte dargestellt sind, so ist die Erfindung jedoch nicht auf diese j?orui beschränkt; es können vielmahr auch andere Formen ZeB. Kurven, 3ogen und dergleichen verwendet werden.

Da die Breite des gewünschten Bandes 4 ungefähr gleich einer halben Führerwellenlänge des weiterzuleitenden Lichtes sein und daher im Bereich von einigen wenigen Mikron liegen kann, so müssen die Abgrenzungslinien bei der Belichtung des Photomaterials sehr genau bestimmt werden. Zu diesem Zweck muss ein Objektiv mit einer großen numerischen Öffnung bei geringsten Aberrationen verwendet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Verwendung von Objektiven mit großen Blendenöffnungen die Fokussierung erschwert, da die Schärfentiefe kleiner sein kann als die Dicke der Emulsion der Ihotoschicht beträgt.

Eine weitere Schwierigkeit» die bei der Herstellung von Bändern auftritt, deren Abmessungen mit der Wellenlänge des Lichtes vergleichbar ist, das zum Belichten des Ihotomaterials benutzt w-rd, besteht darin, dass während der Belichtung Diffraktionserscheinungen auftreten können. Dies kann bei dem Original berücksichtigt und kompensiert werden, mit dem das KPR belichtet wird. Mne geeignete Zompensation kann z.B, in der ',«eise durchgeführt werden, dass Seraphs (seraphs) an denjenigen Stellen verwendet werden, an denen im tfellenführer scharfe Abbiegungen erwünscht sind.

Ls wird darauf hingewiesen, dass die optischen Eigenschaften der Materialien axs Punktion der Wellenlänge sehr veränderlich sind. Dies wurde bereits erwähnt in bezug auf die

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dielektrischen icaterialien im Zusammenhang mit dem '■ -Δ -Diagramm (Fig.4). Me optischen Eigenschaften von Metallen sind gleichfalls veränderlich, z.3. können einige ketalle bei ultravioletten Wellenlängen als dielektrische Laterialien wirken. Wenn die Ausführung des Wellenführers nach der Fig.1 als eine dielektrische Schicht beschrieben wurde, so bedeutet dies die 'Verwendung eines Materials, das sich bei der weitergeleiteten '.,ellenlange als ein dielektrisches Laterial verhält.

ide Fi&.5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in Fern, eines Wellenführera, der aus Le tall, einem dielektrischen ..aterial und aus Letull besteht. Der wellenführer'50 weist auf eine Unterlage 31, cino erste Letbllsciiicht 31» ein Band 33 aus einem dielektrischen Material und als oberes Band ein zweites Band oder einen luetallbelag 34. -uie dielektrische Schicht 33 weist eine Dicke von 0,5 üikron und eine Breite von 3 Likron auf.

Der dielektrische ..ellenführer i.ach der üig=5 weist etwas andere Eigenschaften auf als der .Vellenführer nach der Fig.1. Z.B. kann im Vfellenfülirer 30 ein ΤΕΙύ-^odus erregt werden, wenn das elektrische Feld zv,isc:ien den i-etallstreif en senkrecht zum Streifen orientiert wird, -ic- Verluste im Welle-führer 3G erhöhen sich mit der Frequenz :.ei der neiterleitung nach dem TEu--kodus als Folge der V/irkuiit-en der in den Leitern induzierten Längsströme. Im 'uellenführei* 3ς. kann ein TE-^.odus errezt werden, wenn das elektrische teiä zwischen den Letal}streifen parallel ::u aen Streifen crier.Li-r⁴: wird, „ie aus äer Lurve 26 in der Zi._;.4 -:u ersehen ist, ΐετ .·;γ Γϋ-l.oäus hoch dicpersiv nahe an aea o::errpun..t (\ _c[^y -.velcl-c-r i'all. eintritt, -.venn der Abstand ::wischer, der metallschicht 32 un;i dea I. etallcand 34

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gleich der halben Wellenlänge des Lichtes im Dielektrikum ist. Im Gegensatz zu einem hohlen·rechteckigen und aus Metall bestehenden »Vellenführer vermindern sich die Verluste bei diesem TE-lY.odus bis zu einem unendlich kleinen Wert, wenn die Wellenlänge kürzer

Bei einem Metall-Dielektrikum-Metall-WellenfUhrer 30 7,.i$o nach der Figo5 kann z.B. eine Unterlage 31 aus Quarz oder Silikon, eine Metallschicht 32 aus Gold, ein dielektrisches Band 53 aus einem der in der Tabelle 1 angeführten dielektrischen materialien (z„B. AIpO,) und ein Metallband 34 aus Gold verwendet verden. Der (Yellenführer 30 kann unter Anwendung der Verfahnrens-3tufen hergestellt werden, wie sie bei dem Wellenführer nach der Pig.1 beschrieben wurden, wobei der Unterschied darin besteht, lass auf die Unterlage anstelle des SiOp eine Goldschicht durch lufspritzen oder nach einem anderen Verfahren aufgetragen wird, ind dass die SchlusSatzung mit dem Jod-Atzmittel fortfällt, bei ler das obere Goldband entfernt wird.

Die Fig»6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines [!elektrischen Wellerifiiiiprs nach der Erfindung. Bei dieser Aus-'ührungsform besteht der Wellenführer 40 aus einer Unterlage 41> •iner ersten Metallschicht 42, einem dielektrischen Band 43 und us einem IUeΐallband 44, das breiter ist als das dielektrische ■and 4.3· Das Metallband 44 weist vorzugsweise eine Breite von '^;i ngefähr einer halben Führerwellenlänge auf, während die Breite. ' es dielektrischen Bundes 43 dann ungefähr gleich der halben reite des Ketallba~d.es 44 ist.

Der in der Fig.6 dargestellte wellenführer weist die icht normale- Eigenschaft auf, daos er eine iuickwärtswelle weierleiten kann, d.h., der »"ellenführer 40 weist Dispersions-

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merkmale auf, die allgemein durch die- typische Kurve 27 in der Fig.4 dargestellt werden. Aus dem ω-β-Diagramm der Fig«4 ist zu ersehen, dass in gewissen Teilen der Kurve 27, z.B. nahe am Punkt 28, das Gefälle 28· der Kurve 27 negativ ist. Da die Gruppengeschwindigkeit des vom Y/ellenfühfer weitergeleiteten !achtes durch das Gefälle der ^c·- - : -Kurve gegeben ist, so ist die Gruppengeschwindigkeit bei der Frequenz ^₂ negativ. Überdies ist die Phasen^eschwindigkeit bei der frequenz '■-₂ durch ^a2^,^:2 ^gege~ ben und danach positiv. Dieses gleichzeitige Auftreten einer gegensinnigen Phasengeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit kennzeichnet die Rückwirtswellenweiterleitung.

Die Fig.7 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform besteht der Wellenführer 50 aus einer Unterlage 51, einer ersten Metallschicht 52, einem dielektrischen Band 53 und -aus einer Metallschicht 54, die sowohl die Oberseite als auch die Seiten des dielektrischen Bandes 53 Überdeckt. Der tfellenführer 50 stellt daher einen WellenfUhrer mit Metallwandungen dar, der mit dem dielektrischen Material voll ständig gefüllt ist.

Ein dielektrischer Wellenführer gleich dem in der Fig.7 dargestellten weist außerordentlich hohe'Verluste auf, wenn die Abmessungen des Wellenführers mit einer Führerwellenlänge vergleichbar sind. Werden die Abmessungen verzehnfacht, so werden die "Verluste wesentlich verwindet, lassen jedoch die Weiterleitung nach zusätzlichen Modi zu. Die Verwendung eines derartigen //ellenführers irn optischen Bereich ist auf kurze Abschnitte begrenzt sowie auf komplizierte Muster wie zusammengesetzte Verbindungen oder Übergangsstellen oder scharfe Ecken, in welchen Fällen andere Ausgestaltungen das Feld nicht ordnungsgemäß zusam-

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menhalten. Bei solchen kurzen Abschnitten können hohe Verluste zugelassen werden, und der mix Metall abgedeckte dielektrische Wellenführer grenzt das Feld um scharfe Ecken herum sehr wirksam ein.

Die Fig.8 zeigt noch eine weitere Ausführung eines' dielektrischen Wellenführers, der.als T-Wellenfuhrer,bezeichnet werden kann. Wie aus der Fig.8 zu ersehen ist, besteht der Wellenführer 60 aus einer Unterlage 61 aus einem dielektrischen oder auch aus einem anderen Material und aus einem dielektrischen Band 62, das eine größere Brechzahl als· die Unterlage 61 aufweist. Die Querschnittsabmessungen des Bandes 62 können ungefähr gleich denen des Bandes 4 in der Fig„1 sein, d„h<, die Breite des Bandes 62 beträgt vorzugsweise ungefähr die halbe Führerwellen-· länge, während die Dicke vorzugsweise nicht größer als die Breite sein soll. Ist der Hals des T-Wellenführers genügend schmal, so kann auch ein Band 62 verwendet werden, dessen Brechzahl kleiner ist als die der Unterlage 61. Der Vv'ellenführer 60 weist allgemein kleinere Verluste auf als ein V/ellenführer in der Ausführung nach der Fig.1 ■. ■

Ein tfellenführer nach der Fig.8 kann in der '//eise hergestellt werden, dass von einera Aufbau ähnlich nach der Fi^, 1 ausgegangen wird, der ein direkt auf einer ebenen Unterlage liegendes dielektrisches Band aufweist. Durch Verwendung eines Ätzmittels, das τ/ahlweise das: Material der Unterlage 61 nicht jedoch das Band 62 angreift, kann von der Unterlage genügend Material entfernt werden, um die Form nach der Fig,8 zu erzeugen» Besteht die Unterlage 61 z,B. aus Silikon und das Band 62 aus Al₂O^, so kann eine Gemisch aus volumenmäßig 1 Teil HF, 10 Tei- " len HIO₅ und 2 Teilen H₂O als Ätzmittel benutzt werden, da-

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ein Teil,.der Silikonunterlage wahlweise wegätzte

:fird dao Ätzen noch weiter fortgesetzt, wie bei der Ausführung sf-orm nach der Fig «8 beschrieben, so kann ein vollständie freischwebender dielektrischer Ιί/ellenführer hergestellt werden, άβτ von zwei Endgliedern getragen wird·. Ein solcher, in der Fig..9, als Welle.nführer 70 dargestellter Wellenführ'er in Form eines ,aufgehängten Bandes ist von außerordentlich großem Hutzen als Zwisehenyerbindung zwischen'Sockeln auf einer einzelnen Unterlage. Der in der Fig.10 dargestellte Querschnitt nach der Linie 10-10 in der Fig.9 zeigt, dass das aufgehängte dielektrische Band 72 tatsächlich andiesem Punkt von der darunter gelegenen Unterlage 71 vollständig isoliert ist.

Die in der.Fig.9 dargestellten Tragglieder 73 und 74, zwischen denen das Band 72 aufgehängt ist, können selbst Bestandteile eines optischen Kreises sein. Z.B. kann das Tragglied 73 aus einer Lichtquelle bestehen z.Bo aus einer Gallium-arsenid-

. ^: auch . .

Diode, während das Tragglied 73/aus einem dielektrischen optischen Wellenführer bestehen kann, über den das Licht in das eine Ende des aufgehängten Bandes 72 eingeführt werden kann unter Verwendung einer äußeren Lichtquelle 5 und einer Linse 6, wie in der Fig.2 dargestellt. Das andere Tragglied 74 kann aus einer lichtempfindlichen Einrichtung bestehen. Ein solches Element kann z.B. in der Weise hergestellt werden, dass das Glied 74 aus Silikon hergestellt und in diesem eine senkrechte licht-.empfindliche p-n-Übergangsstelle erzeugt wird. Auf einer einzelnen Unterlage können natürlich mehrere solcher Einrichtungen zusammen vorgesehen werden, sodass zieinlic— komplizierte optische Kreise hergestellt werden können.

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An den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können von Sachkundigen im Rahmen des Erfindungsgedankens selbstverständlich Änderungen, Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Optischer Wellenführer, gekennzeichnet durch eine Unterlage, durch einen Streifen eines dielektrischen Materials auf der Unterlage, dessen Querschnittsabmessungen optischen Wellenlängen entsprechen, und durch eine Schicht eines Materials, dessen Brechzahl von der des dielektrischen Materials verschieden ist, welche Schicht zwischen dem genannten Streifen und der Unterlage angeordnet ist,

2ο Wellenführer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsabmessungen des genannten Streifens aus einem dielektrischen Material Bruchteilen einer Wellenlänge des weiterzuleitenden Lichtes entsprechen.

3 β Wellenführer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Streifen aus einem dielektrischen Material eine Breite aufweist, die ungefähr gleich einer halben Führerwellenlänge des weiterzuleitenden Lichtes ist, und eine Dicke, die nicht größer als die Breite ist.

4. Wellenführer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet·, dass das genannte dielektrische Material aus Al₉O,, GaF₉ Oe₉O, LaF, La₉O, MgF₉ MgO, SiO, SiO₉ , YF, oder

C J Cf C-J J ι C. J t <-» C. J

Y₉O, besteht.

5· Wellenführer nach einem der Anspräche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, dass die genannte Materialschicht aus einem Metall besteht· 00983A/0203

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6o Wellenführer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Materialschicht aus einem Dielektrikum besteht»

7_β Wellenführer nach ein_cm der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte, aus einem dielektrischen Material bestehende Streifen mit Metall bedeckt ist.

8. Wellenführer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Unterlage aus einem Halbleiter besteht.

9* Wellenführer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Materialschicht aus einer Verbindung des. genannten Halbleiters besteht.

10. Wellenführer nach einem der Ansprüche t bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Materialschicht aus Luft besteht.

11. Wellenführer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Streifen aus einem dielektrischen Material eine größere Brechzahl aufweist als die genannte Materialschicht.

12· Optischer Wellenführer', gekennzeichnet durch eine Metallschicht, durch ein auf der genannten Schicht angeordnetes dielektrisches Band, und-durch ein auf dem dielektrischen Band angeordnetes Metallband.

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13. Wellenführer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des genannten dielektrischen Bandes ungefähr gleich einer halben Führerwellenlänge des weiterzuleitenden Lichtes ist, und dass die Dicke des dielektrischen Bandes nicht größer als dessen Breite ist.

H. Wellenführer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des dielektrischen Bandes kleiner ist als die halbe Führerwellenlänge, dass die Dicke des dielektrischen Bandes nicht größer als dessen Breite ist, und dass die Breite des Metallbandes ungefähr gleich einer halben Führerwellenlänge ist.

15· Wellenführer nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte !detailschicht sich auf einer Unterlage befindet.

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