DE2124916B2 - Einrichtung zum Einkoppeln von Lichtwellen in Dünnfilm-Lichtleiter - Google Patents

Description

genügt mit Ao = Lichtwellenlänge im Vakuum.

7. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Gitter ein Transmissionsgitter (21) ist

8. Kopplungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter mit einer seiner Oberflächen gegen Luft angrenzt, dort das Gitter trägt und Licht von dieser Seite aus eingekoppelt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtwellen-Kopplungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Die Verwendung integrierter optischer Einrichtungen in optischen Übertragungssystemen, optischen Datenverarbeitungssystemen und verschiedenen anderen mit Licht arbeitenden Systemen ist sehr intensiv untersucht worden. Die Vorteile integrierter Schaltungstechniken bei der Verwendung im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums sind sehr vielgestaltig und entsprechen den Vorteilen bei niedrigeren Frequenzen. Daher sind Miniaturisierung, Minimalisierung von Umgebungseinflüssen, z. B. Vibrations- und Thermoeffcktsn und dis Rc^rodüzisrösricsit bei idi

Kosten mit integrierten optischen Schaltungen realisierbar.

Der zumeist benutzte Weg für den Erhalt einer Integration optischer Schaltungen liegt in der Verwendung von Dünnfilm-Lichtleitern, die in der Regel eine Dicke von angenähert der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes haben. Solche Dünnfilme erschweren jedoch das Einführen von Licht in den Dünnfilm mit einem vernünftigen Wirkungsgrad.

Es ist eine Anordnung bekannt, bei der zum Einkoppeln von Lichtwellen in den Dünnfilm durch eine Hauptfläche dieses Films hindurch ein Prisma mit interner Reflexion verwendet wird. Die Prismeneinkopplung hat sich als bei weitem wirksamer erwiesen als führere Anordnungen, bei denen das Licht beispielsweise durch ein Ende des Lichtleiters eingeführt wurde. Andererseits ist die Anordnung eines Prismas relativ raumaufwendig, und die Reduzierung dieses relativ großen Raumbedarfs würde eine weitere Miniaturisie rung des Systems ermöglichen. Obwohl die Prismenan ordnung bei weitem wirksamer als die früheren Einrichtungen ist, würde eine weitere Vergrößerung des Einkopplungswirkungsgrades selbstverständlich vorteilhaft sein.

Die Aufgabe der Erfindung liegt deshalb sowohl in

einer Verringerung des Raum- bzw. Platzbedarfs der

Kopplungsanordnung als auch in einem gleichzeitig

angestrebten höheren Kopplungswirkungsgrad.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den

kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird kohärentes Licht mittels eines optischen Reflexionsgitters in einen dünnen Lichtleiter eingekoppelt, das mit dem Lichtleiter auf dessen der Einfallseite des Lichtes gegenüberliegenden Seite in Berührung steht. Das eintretende Licht durchläuft den Lichtleiter und wird am Gitter reflektiert In Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichtes wird ein Teil des in einer oder mehreren Gitteranordnungen reflektierten Lichtes im Lichtleiter eingefangen. Das auf diese Weise eingefangene Licht hat eine Komponente seiner Ausbreitungskonstante in Lichtleiterlängsrichtung, tritt in Abhängigkeit von u. a. dem Einfallswinkel des Lichtes und der Gitterperiodizität mit einer bestimmten Wellenleiter- Schwingungsform in Wechselwirkung und induziert diese.

Das Reflexionsgitter kann dabei auf der Oberfläche des Lichtleiters selbst ausgebildet sein. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung

so ist ein Transmissionsgitter, das entweder ein Absorptions- oder ein Phasengitter sein kann, auf einer Hauptfläche des Lichtleiters niedergeschlagen oder ausgebildet, wobei das Licht auf dem Gitter einfällt Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird in Abhängigkeit vom Einfallswinkel in einer der Gitteranordnungen gebeugtes Licht im Leiter eingefangen und induziert eine bestimmte Wellenleiter-Schwingungsform. Wie nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, können der Wirkungsgrad der Kopplung und die speziell angeregte Schwingungsform bzw. Eigenschwingung im Lichtleiter durch Änderung des Einfallswinkels des einzukoppelnden Lichtes geändert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig.2 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführur.gsbeispiels der Erfindung und

Fig.3 eine schematische Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in erheblich vergrößertem Maßstab schematisch eine Ausführungsform mit einem Reflexionsgitter zum Einkoppeln des einfallenden Lichtes in einen Dünnfilm-Lichtleiter. Wie aargestellt, ist eine Lichtquelle 11, z.B. ein Helium-Neon-Laser mit einer kohärenten Licht-Ausgangsstrahlung von 632.8 nm, vorgesehen. Statt dessen kann auch eine andere Quelle verwendet werden. Eine Linsenanordnung 12 kann, soweit notwendig, zum Fokussieren des Lichtes verwendet werden.

Ein Dünnfilm-Lichtleiter 13 aus einem transparenten, lichtleitenden Material, z. B. aus Glas, ist auf einem Substrat 14 angebracht, das für die Wellenlänge des einzukoppelnden Lichtes durchlässig ist Der Lichtleiter !3 und das Substrat 14 sind so gewählt, daß ihre Brechungsindizes D₂ bzw. m die Beziehng ni>ih>n\ erfüllen, wenn nt der Brechungsindex von Luft ist (dargestellter Fall). Es ist jedoch nicht notwendig, den Lichtleiter auf der einen Seite an Luft angrenzen zu lassen. Der Lichtleiter und das Gitter können auch zwischen zwei dielektrischen Bauteilen gelegen sein. Dabei können die beiden dieleketrischen Bauteile gleichen Brechungsindex oder irgendein erwünschtes Brechungsindex-Verhältnis haben, wenn nur der Brechungsindex beider kleiner als der des Lichtleiters ist

Bei der Anordnung nach F i g. 1 ist ein Reflexionsgitter 16 auf der dem Substrat 14 gegenüberliegenden Oberfläche des Leiters 13 vorgesehen. Um im wesentlichen Totalreflexion zu gewährleisten, ist das Gitter 16 auf seiner Außenfläche versilbert. Das Gitter 16 kann im übrigen eingeschnitten, eingedrückt, eingestanzt, niedergeschlagen oder auf andere Weise in oder auf dem Leiter 13 ausgebildet sein oder kann als gesondertes Element vorliegen, das in Kontakt mit dem Leiter 13 steht oder in unmittelbarer Nähe des Leiters gelegen ist. Nachstehend sei die Periodizität des Gitters 16 mit a bezeichnet.

Das von der Quelle 11 kommende Licht wird auf das Substrat 14 unter einem solchen Winkel gerichtet, daß es nach seinem Durchtritt durch das Substrat 14 und den Leiter 13 unter einem Einfallswinkel Θ, auf das Gitter 16 fällt und von diesem im Wege der Beugung in eine oder mehrere Gitterbeugungsordnungen reflektiert wird. In F i g. 1 sind nur zwei Gitterbeugungsordnungen gezeigt, und zwar die nullte Ordnung, welche von der Anordnung nach außen reflektiert wird, und die +1. Ordnung, welche unter dem Beugungswinkel B_m = θ ι reflektiert wird, wobei m die Ordnungszahl, im dargestellten Fall m—\, darstellt In Fig. 1 ist der Beugungswinkel S_n, so gezeigt, daß die +1. Ordnung im Lichtleiter 13 eingefangen wird. Der Beugungswinkel B_n, ist mit dem Einfallswinkel Θ, durch

sin <9_m = sin

an₂

(D sichtlich π/2 beträgt Im letzteren Fall läuft das Licht parallel zur Längsachse der Leiter. Das im Leiter eingefangene Licht, d. h. das Licht der +1. Ordnung in Fig. 1, hat eine Ausbreitungskonstante β längs der Leiterachse, die durch

A.=

2 π H₂ sin 6>„

'■O

verknüpft, wobei A₀ die Lichtwellenlänge im Vakuum ist Damit Licht einer bestimmten Gitterbeugungsordnung im Leiter eingefangen wird, muß der Mindestbeugungswinkel der Bedingung

sin (-)_m > —

"2

(2) ι ο gegeben ist Aus Gleichung (3) ist zu sehen, daß ß_m durch Änderung des Beugungswinkels Q_m variiert werden kann, der seinerseits gemäß Gleichung (1) durch Änderung des Einfallswinkels Θ, geändert werden kann. Die Änderung des Einfallswinkels Θ, kann auf zahlreichen Wegen erfolgen. Zum Beispiel kann die Quelle 11 bewegt werden oder es können lichtablenkende Elemente eingesetzt werden oder es kann die aus dem Lichtleiter 13 und dem Substrat 14 bestehende Anordnung gegenüber der Quelle 11 bewegt werden.

Bekanntlich vermag ein Lichtleiter, wie der in F i g. 1 dargestellte Lichtleiter, eine große Zahl von Wellenleiter-Moden bzw. -Schwingungsformen zu führen, von denen jede eine charakteristische Ausbreitungskonstante β hat Allgemein reichen die Werte von β für die verschiedenen Moden bzw. Schwingungsformen von ntfulc bis i&ülc, wobei ω die Kreisfrequenz des Lichtes und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum sind Daher tritt Phasenanpassung des eingefangenen Lichtes und einer Wellenleiter-Ausbreitungsschwingungsform innerhalb der Grenzen auf, die definiert sind durch

/I»

wobei Π2>Λ3. Soll auf eine besondere Wellenleiter-Schwingungsform bzw. -Eigenschwingung eingekoppelt werden und ist deren β bekannt, so kann ß_m der Gleichung (3) gleich dem β der gewünschten Schwingungsform durch geeignete Wahl von Θ,- gemacht werden.

F i g. 2 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, die im Prinzip der nach F i g. 1 ähnelt bei der aber ein Transmissionsgitter 21 statt des Reflexionsgitters 16 verwendet wird Der Einfachheit halber sind in beiden Ausführungsformen übereinstimmende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. Licht der Quelle 11 trifft nach Durchgang durch die Linse 12 auf das Gitter 21 unter einem Winkel θ> Das aus dem Gitter austretende Licht ist in eine oder mehrere Gitterbeugungsordnungen gebeugt. In F i g. 2 sind wieder nur die 0. Ordnung und die +1. Ordnung gezeigt. Bei der Anordnung gemäß F i g. 2 sind die Winkel B_m und Θ, durch die Gleichung

,. fit

sin (-)_m = — sm
>h

tYl λη

an₂

gehorchen, während der Maximalwert von 6_m offenverknüpft. Die Bedingungen für Lichteinfang sind dieselben wie bei der Anordnung gemäß F i g. 1, und die speziell eingefangene Gitterbeugungsordnung und der spezielle Ausbreitungsmodus, in welchen das einfallende Licht gekoppelt wird, können durch Änderung des Einfallswinkels Θ, geändert werden.

_b5 Das Gitter 21 kann verschieden ausgebildet sein, z. B. als Absorptionsgitter oder als Phasengitter vorliegen. Der Wirkungsgrad der Kopplung ist bei einem Fhasengitier größer, weii die an einem Absorptionsgit-

ter anfallenden Lichtverluste entfallen. Das Gitter 21 braucht nicht an oder in der Oberfläche des Leiters 13 ausgebildet zu sein, obwohl eine solche Ausbildung einer Verringerung des Platzbedarfs entgegenkommt; es kann auch ein getrenntes Bauteil sein, das in unmittelbarer Nähe oder in Berührung mit der Oberfläche des Leiters 13 angeordnet sein kann.

Bisher erfolgte die Beschreibung anhand eines Einfangens und Koppeins von Licht positiver Gitterbeugungsordnungen. Es kann aber auch Licht negativer Gitterbeugungsordnungen eingefangen werden, und zwar mit einer möglichen Steigerung des Kopplungswirkungsgrades. In Fig.3 ist eine im Prinzip der Anordnung nach F i g. 1 ähnliche Ausführungsform gezeigt, bei der nur die — 1. Reflexionsgitterbeugungsordnung im Leiter eingefangen wird. Der Einfachheit halber sind dieselben Bezugszeichen wie in F i g. 1 gebraucht.

In der Anordnung gemäß F i g. 3 wird das Licht von einer Quelle 11 in ein Substrat 14 und einen Leiter 13 eingeleitet und trift auf ein Reflexionsgitter 16 unter dem Einfallswinkel Θ, derart, daß der Beugungswinkel θ +1 der +1. Gitterbeugungsordnung der Beziehung

genügt. Dieses erfordert, daß

sin (9, > 1 -

an-,

(6)

(7)

für die nicht zu übe-tragende +1. Gitterbeugungsordnung ist Auch die -2. Gitterbeugungsordnung sollte nicht durch den Leiter übertragen werden; dieses erfordert, daß

sin Θ,

2/ρ
an₂

- 1

(8)

ist Daher sind die Grenzen des Einfallswinkels Θ, für einen Einfang von Licht der —1. Gitterbeugungsordnung wie folgt bestimmt:

1 — < sin θ, < —^- - 1. (9)

an₂ an₂

Dadurch ergibt sich die Bedingung

a < 1 ()

- 2 W

(10)

für die Gitterperiodizität Wenn die Bedingung (10) gegeben ist, kann gezeigt werden, daß

~> j
--*°- < sin fi>_, <

an₂

wodurch der Abstimmbarkeitsbereich von θ_ι für die Bedingung (9) definiert ist

Um eine im Leiter 13 geführte Schwingungsform anzuregen, sollte der Bereich von θ_ι ausreichend groß sein, um die Bedingung

sin

«2

(12)

zuzulassen, wobei n_cn der effektive Brechungsindex für die in Betracht stehende geführte Schwingungsform und zwischen n₂ und 113 gelegen ist, also der Bedingung

n_eff< n₂ («, > π,)

(13)

gehorcht.

In ähnlicher Weise können der Wert von a und der Bereich von Θ-1 für eine Transmissionsgitteranordnung bestimmt werden. Mit solchen Anordnungen ist es möglich, die Parameter des Systems, einschließlich der Gitterperiodizität zu wählen, um Licht einer einzigen Gitterbeugungsordnung übertragen zu erhalten, welche sodann eingefangen wird und zu einem hohen Kopplungswirkungsgrad Anlaß gibt

Bei einer Reflexionsgitteranordnung nach F i g. 1, bei der der Leiter 13 aus Glas eines Brechungsindex von 1,52 bestand, war die Unterlage 14 aus transparentem Kunststoff eines Brechungsindex von 1,5, betrug die Gitterperiodizität a — 1,9 μπι und war die Wellenlänge des Lichtes 632,8 nm, um einen Einfang von Licht der ersten Gitterbeugungsordnung zu erhalten; dabei betrug für Phasenanpassung der Einfallswinkel θ_; angenähert 55°. Änderungen bezüglich Θ, ergaben Lichtfortpflanzung in verschiedenen Ausbreitungsmoden im Leiter, welche bei verschiedenen Einfallswinkeln Θ, phasenangepaßt waren; es erwies sich als möglich, durch Änderungen von Θ, auch Licht anderer Gitterbeugungsordnungen als -(-1. einzufangen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Lichtweilen-Koppiungsanordnung mit einem optischen Wellenleiter, der aus einem Material mit dem Brechungsindex /J₂ besteht, zwei einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist und auf einem Substrat aus einem Material mit einem gegenüber m kleineren Brechungsindex U₃ angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Gitter (16,21) mit der Gitterperiodizität a längs einer der Oberflächen des Lichtleiters (13) verläuft und eine Einrichtung (11,12) vorgesehen ist, welche einen Lichtstrahl unter einem solchen Einfallswinkel auf das Gitter richtet, daß Phasenanpassung zwischen Licht in einer der Gitterbwugungsordnungen und einem Lichtleiter-Ausbreitungsmode auftritt

2. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter auf einer Oberfläche des Wellenleiters (13) ausgebildet ist.

3. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter ein Reflexionsgitter (16) ist

4. Kopplungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter mit einer seiner Oberflächen gegen Luft angrenzt, dort das Gitter trägt und Licht von der Substratseite her eingekoppelt wird.

5. Kopplungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl unter einem solchen Einfallswinkel auf das Gitter gerichtet wird, daß nur die — 1. Gitterbeugungsordnung einkoppelbar ist

6. Kopplungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Gitterperiodizität der Beziehung