DE2329209A1

DE2329209A1 - Kopplungsvorrichtung fuer einen optischen wellenleiter und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2329209A1
Application number: DE2329209A
Authority: DE
Inventors: Andre Jacques; Daniel Ostrowsky; Michel Papuchon
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-06-07
Filing date: 1973-06-07
Publication date: 1974-01-03
Also published as: FR2188175B1; FR2188175A1; DE2329209C2; JPS4957844A; JPS598802B2; GB1438191A; US3885856A

Description

Kopplungsvorrichtung für einen optischen Wellenleiter und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Bekanntlich leitet ein optischer Wellenleiter Lichtstrahlen infolge der Totalreflexion der Lichtstrahlen an den beiden den Wellenleiter begrenzenden Brechungsflächen.

Der Einfallswinkel 0 des Lichtes, der größer als die Totalreflexionswinkel sein muß, muß ferner zu einer diskreten und endlichen Folge von Winkeln 0 .... 0 gehören. Diese Folge ist durch die Höhe des Wellenleiters, die Wellenlänge des Lichtes und die verschiedenen Brechungsindices des den eigentlichen Wellenleiter bildenden Materials und der die beiden Brechungsflächen des Wellenleiters begrenzenden äußeren Medien bestimmt.

Jedem Winkel 0 entspricht eine Wellenform, die sich mit sehr wenig Verlusten ausbreitet.

Lei/Pe

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Die Erscheinung der Totalreflexion, die für die Ausbreitung des Lichtes in einem Wellenleiter unerläßlich ist, ergibt ein Problem beim Eintritt des Lichtes in den Wellenleiter: das Problem der Kopplung.

Es gibt eine gewisse Anzahl von Kopplungsverfahren, von denen das Verfahren der Kopplung durch Beugungsgitter genannt v/erden kann. Dieses Verfahren besteht darin, daß ein Beugungsgitter auf einer Schicht aus lichtempfindlichen Material aufgezeichnet wird, die zuvor auf den Wellenleiter aufgebracht worden ist. Die Gitterteilung und der Einfallswinkel einer praktisch ebenen Welle sind so bemessen, daß die BeugungsOrdnungen (im allgemeinen die BeugungsOrdnung 1) im Innern des Wellenleiters einer sich ausbreitenden Wellenform m entspricht.

Bei diesem Verfahren, wie auch bei den anderen zur Zeit angewendeten Verfahren, ist es jedoch notwendig, mit einer praktisch ebenen einfallenden Welle zu arbeiten, damit die Ausbreitung eines beträchtlichen Bruchteils der Energie in einer einzigen Wellenform erreicht wird. Die Kurven, welche die Änderungen der eingekoppelten Intensität in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel darstellen, haben nämlich eine Halbwertsbreite von weniger als sechs Minuten.

Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der zuvor geschilderten Schwierigkeit durch Schaffung einer Kopplungsvorrichtung für einen optischen Wellenleiter, die auch die Verwendung eines konvergenten oder divergenten einfallenden Bündels zur Erzielung einer praktisch ebenen Welle im Inneren des Wellenleiters ermöglicht, welche die für die Erregung einer vorbestimmten Wellenform des Wellenleiters notwendige Ausbreitungsrichtung hat.

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Nach der Erfindung ist eine Kopplungsvorrichtung für einen optischen Wellenleiter gekennzeichnet durch wenigstens ein Hologramm, das in einer an einer Fläche des Wellenleiters angeordneten Schicht aus lichtempfindlichem Material gebildet und so beschaffen ist, daß es ein einfallendes Lichtbündel in eine ebene Welle umformt, welche die für die Erregung einer vorbestimmten Wellenform des Wellenleiters notwendige Ausbreitungsrichtung im Wellenleiter hat.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Kopplungsvorrichtung für einen optischen Wellenleiter ist nach der Erfindung vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß an einer Fläche des Wellenleiters eine Schicht aus lichtempfindlichem Material angebracht wird, und daß in wenigstens einem Bereich der Schicht ein Hologramm gebildet wird, das so beschaffen ist, daß es ein einfallendes Lichtbündel in eine ebene Welle umformt, welche die für die Erregung einer vorbestimmten Wellenform des Wellenleiters notwendige Ausbreitungsrichtung in dem Wellenleiter hat.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen optischen Wellenleiter mit einer lichtempfindlichen Schicht als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 den optischen Wellenleiter mit der fertigen Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Diagramm, das in Polarkoordinaten die Lagen

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verschiedener Lichtquellen zeigt, die für die Aufzeichnung eines Hologramms auf dem Wellenleiter und für die Rekonstruktion des sich im Wellenleiter ausbreitenden Lichtes durch das Hologramm bestimmt sind,

Fig.4 eine schematische perspektivische Ansicht einer Anordnung zur Aufzeichnung des Hologramms der Kopplungsvorrichtung und

Fig.5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung.

Der in Fig. 1 gezeigte optische Wellenleiter ist durch ein Substrat 1 gebildet, auf dessen obere Fläche 2 eine Schicht 3 aufgebracht ist, die das eigentliche Ausbreitungsmedium des optischen Wellenleiters bildet. An der dem Substrat 1 entgegengesetzten Fläche der Schicht 3 ist eine Schicht 4 aus lichtempfindlichem Material angeordnet. Die Schicht 4 kann direkt auf die Schicht 3 aufgebracht sein, wie in Fig. 1 gezeigt ist, oder auf eine Zwischenschicht aus einem brechenden Material, die mit der Schicht 3 in Kontakt steht.

Es sei angenommen, daß der Wellenleiter durch ein von einer Quelle 5 (Fig. 2) abgegebenes divergentes Bündel erregt werden soll, das die Wellenfront Σ_ρ hat. Wenn die Quelle 5 als Objekt Lichtquelle gewählt wird, muß genau das Bezugsbündel bestimmt werden, das zur Aufzeichnung eines Hologramms notwendig ist, das in der Lage ist, die Umwandlung des divergenten Bündels in eine ebene Welle mit der Wellenfront Σ. und mit geeigneter

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Ausbreitungsrichtung in dem Wellenleiter 3 zu gewährleisten.

Zu diesem Zweck wendet man die Konjugationsbeziehungen an, welche die Tatsache berücksichtigen, daß der Brechungsindex des bildseitigen Mediums, d.h. des Wellenleiters 3, von dem Brechungsindex des objektseitigen Mediums, nämlich Luft, verschieden ist.

Im allgemeinen ist die für die Kopplung verwendete Wellenlänge verschieden von der Wellenlänge, die der besten Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Materialien entspricht. Deshalb sind die nachstehenden Konjugationsbeziehungen unter der Annahme gesucht worden, daß diese beiden Wellenlängen verschieden sind.

Es seien:

λ die Wellenlänge für die Aufzeichnung des Hologramms;

λ' die Rekonstruktionsv/ellenlänge, d.h. die Wellenlänge des Lichts, das nach der Bildung des Hologramms dem Wellenleiter zugeführt wird;

λ» = ^- die Rekonstruktionswellenlänge in einem Medium mit dem Brechungsindex n.

Die Polarkoordinaten 9^, 9-, des durch ein Hologramm gelieferten normalen Bildes sind durch die folgenden Gleichungen definiert:

sin φ₁ = -r- (sin φ - sin <ρ_ρ) + -τγ sm <p_R 309881/0865

Wie das Diagramm von Fig. 3 zeigt, das auch die Vorzeichen-Übereinkunft angibt, sind mit Q> <p_Q und 9 , φ die Polarkoordinaten der Lichtquellen S (Objektlichtquelle) bzw. Sp (Bezugslichtquelle.) bezeichnet, die für die Aufzeichnung des Hologramms 6 verwendet werden, während mit g_R, <p_R die Polarkoordinaten der Lichtquelle S_R bezeichnet sind, welche das auf diese Weise aufgezeichnete Hologramm beleuchtet. Das vom Hologramm 6 gelieferte Bild der Lichtquelle Sq hat dann die Polarkoordinaten Q₁, φ*.

In Fig. 3 ist zu erkennen, daß das Hologramm 6 an der Brechungsfläche angeordnet ist, die die Luft mit dem Brechungsindex 1 von dem Material des Wellenleiters 3 mit dem Brechungsindex η voneinander trennt. Der Mittelpunkt C des Hologramms 6 wird als Ursprung für die Entfernungen angesehen, und die im Punkt C senkrecht auf der Brechungsfläche stehende Gerade als Bezugsrichtung für die Winkel φ.

Um aus den zuvor angegebenen Beziehungen die Vierte von g , φ_ο abzuleiten, welche die Lage der Lichtquelle S bestimmen, berücksichtigt man, daß:

1..die sich im Wellenleiter ausbreitende Welle eben sein muß, was bedingt 1/°^ = O;

2. der Winkel Φ,. einer der Winkel der eingangs definierten Reihe θ ·. .9 sein muß, was bedingt φ,, = O (Kopplungsbedingung für die Wellenform m).

Wie ferner nachstehend anhand von Fig. 4 und 5 gezeigt wird, haben die Lichtquellen S_p (die für die Aufzeichnung verwendet wird) und S_R (die für die Beleuchtung des

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Hologramms verwendet wird) die gleiche Lage in Bezug auf den Wellenleiter, was ergibt 9p = 9_R und φρ =

Für die Aufzeichnung eines Hologramms wird die Anordnung von Fig. 4 verwendet.

Als Beispiel soll die Kopplung einer optischen Faser von 5/im Durchmesser mit der Grundwellenform (m = 0) eines dielektrischen Wellenleiters erzielt werden.

Für die Aufzeichnung verwendet man ein Argonlaser mit der Wellenlänge λ= 0,4579 um.

Es ist ferner bekannt, daß der Wellenleiter mit einer optischen Faser gekoppelt werden soll, welche das von einem Helium-Neon-Laser abgegebene Licht mit der Wellenlänge λ· = 0,6328 yum überträgt, daß Luft den Brechungsindex n~ = 1,000 hat, daß der Wellenleiter den Brechungsindex n,. = 1,595 hat, daß das Substrat den Brechungsindex n_Q = 1,515 hat, daß die Grundwellenform den Ausbreitungswinkel θ = 80° hat, und daß der Wellenleiter die Dicke W = 0,9 /um hat.

Ferner wird vorgeschrieben:

a) daß die Wellenform der Ausbreitung die Grundwellenform ist, was ergibt: φ. = 0 = 80°;

b) daß die von den Lichtquellen S und S_p abgegebenen Lichtbündel symmetrisch in Bezug auf die Senkrechte auf die Brechungsfläche im Punkt C sind, was ergibt:

9p = 9_R · 1cm.

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Aus den zuvor angegebenen Gleichungen können dann die folgenden Werte abgeleitet werden:

<p_o - - «Pp = - 9_R = 24° 40»
S₀C = 9_O = 3,57 cm.

Diese Werte definieren die Bedingungen für die Aufzeichnung des Hologramms.

Das verwendete lichtempfindliche Material ist beispielsweise das positive Harz (Fotolack) Shipley AZ 1350, dessen Brechungsindex größer als der Brechungsindex n^ des Wellenleiters ist.

Fig. 4 zeigt den optischen Wellenleiter mit dem Substrat 1, das eine Schicht 3 trägt, die den eigentlichen Wellenleiter bildet, und auf deren obere Fläche eine Schicht 4 aus lichtempfindlichem Material aufgebracht ist. Diese Anordnung wird mit dem Licht eines Argonlasers 7 belichtet, dessen Bündel 8 durch eine im Winkel von 45° im Lichtweg angeordnete teilreflektierende Platte 9 in zwei Teile aufgespalten wird. Der nicht von der Platte reflektierte Teil 10 des Bündels trifft auf eine Linse 11, die das Licht in ihrem Brennpunkt S fokussiert, der von dem Punkt C an der Oberfläche der Harzschicht 4 in einem Abstand liegt, der gleich dem zuvor angegebenen Wert 9 ist.

Der von der Platte 9 reflektierte Teil 12 des Bündels wird von einer optischen Faser 13 aufgenommen, deren dem Wellenleiter benachbartes Ende S_p von dem Punkt C im Abstand 9_p liegt.

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Die Achsen der beiden auf diese Weise erhaltenen Teile des Bündels 8 haben die Neigung φ_ο bzw. φ_ρ, so daß der Bereich 14 des lichtempfindlichen Materials 4 der Belichtung durch zwei Lichtbündel ausgesetzt ist, die von zwei Lichtquellen S bzw. S_p kommen, welche die Bedingungen für die Aufzeichnung des gewünschten Hologramms erfüllen.

Wenn der Aufzeichnungsvorgang beendet ist, wird das lichtempfindliche Material entwickelt, wodurch das Hologramm 14 an der Oberfläche des Wellenleiters entsteht.

Die für die Ausbreitung einer Wellenform notwendige Totalreflexionserscheinung setzt voraus, daß der Brechungsindex des Wellenleiters größer als der Brechungsindex jedes der beiden benachbarten Medien ist. Falls der Brechungsindex des lichtempfindlichen Harzes größer als der Brechungsindex des Wellenleiters ist, besteht die Gefahr, daß sich die erregte Wellenform in der Harzschicht ausbreitet. Man kann diesen Nachteil dadurch vermeiden, daß man das Harz nach dem Entwickeln nur im Bereich des Hologramms beibehält. Falls das Harz negativ ist, ist die Totalreflexion direkt nach dem Entwickeln gewährleistet, denn das Harz wird automatisch rings um das Hologramm entfernt. Falls das Harz positiv ist, braucht es nur in den Bereichen vorbelichtet zu werden, in denen es nach dem Entwickeln unerwünscht ist. In beiden Fällen bleibt somit von der lichtempfindlichen Schicht nur die das Hologramm bildende Zone 14 bestehen.

Das auf diese Weise gebildete Hologramm 14 ermöglicht die Kopplung einer optischen Faser mit der Grundwellenform des Wellenleiters. Zu diesem Zweck verwendet man die Anordnung von Fig. 5.

3-Ubö«l/UÖbb

Ein Helium-Neon-Laser 15 emittiert ein Lichtbündel 16, das von einer optischen Faser 17 von 5 yum Durchmesser aufgenommen wird, deren Ende S_R von dem Punkt C des Hologramms 14 im Abstand §_ angeordnet ist, wobei die Achse des von der Faser 17 abgegebenen Lichtbündels den Einfallswinkel φ_β hat.

Das Licht des Lasers 15, das aus der optischen Faser mit der Wellenfront Σ_ρ austritt, wird somit in den Wellenleiter eingekoppelt, wobei es von dem Hologramm 14 in eine ebene Welle mit der Wellenfront X-. umgeformt wird, die sich im Wellenleiter in der durch den Pfeil angedeuteten allgemeinen Richtung ausbreitet.

Das zuvor beschriebene holografische Kopplungsverfahren ermöglicht die Erregung einer gegebenen Wellenform m in einem optischen Wellenleiter mit Hilfe eines einfallenden Bündels, das konvergent oder divergent sein kann, oder sogar stark divergent, wie es bei einem Bündel der Fall ist, das von einer quasi punktförmigen optischen Faser abgegeben wird.

Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform bildet die erhaltene Kopplungsvorrichtung die Eingangskopplungsvorrichtung, doch ist es natürlich auch möglich, eine Ausgangskopplungsvorrichtung für den V/ellenleiter in gleicher Weise zu realisieren.

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Claims

Patentansprüche

1. Kopplungsvorrichtung für einen optischen Wellenleiter, gekennzeichnet durch wenigstens ein Hologramm, das in einer an einer Fläche des Wellenleiters angeordneten Schicht aus lichtempfindlichem Material gebildet und so beschaffen ist, daß es ein einfallendes Lichtbündel in eine ebene Welle umformt, welche die für die Erregung einer vorbestimmten Wellenform des Wellenleiters notwendige Ausbreitungsrichtung im Wellenleiter hat.

2. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Schicht auf eine der Flächen des Wellenleiters aufgebracht ist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Kopplungsvorrichtung für einen optischen Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet« daß an einer Fläche des Wellenleiters eine Schicht aus lichtempfindlichem Material angebracht wird, und daß in wenigstens einem Bereich der Schicht ein Hologramm gebildet wird, das so beschaffen ist, daß es ein einfallendes Lichtbündel in eine ebene Welle umformt, welche die für die Erregung einer vorbestimmten Wellenform des Wellenleiters notwendige Ausbreitungsrichtung in dem Wellenleiter hat.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Material ein negatives Harz ist,

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5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der außerhalb des gebildeten Hologramms liegende Teil der Schicht des lichtempfindlichen Materials von der Fläche des Wellenleiters entfernt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Material ein positives Harz ist, und daß die Schicht aus lichtempfindlichem Material in den' Bereichen vorbelichtet wird, in denen sie nach der Bildung des Hologramms entfernt werden muß.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Hologramms in der Schicht aus lichtempfindlichem Material zwei kohärente Lichtquellen verwendet werden, deren Lagen in Bezug auf einen Punkt der Schicht, ausgedrückt in Polarkoordinaten, mit der Lage (S₁, φ^) des normalen Bildes durch die folgenden Beziehungen verknüpft sind:

JL _ hl (L. L) ₊ hl L. sin φ₁ = -£- (sin <p_Q - sin <p_p) + ^ sin <p_R

worin 9 , φ und 9_p, <p_p die Koordinaten von Lichtquellen sind, die den Totalreflexionswinkeln θ₀ bzw. Θ entsprechen, £_R und 9_R die Koordinaten der Bezugslichtquelle sind ναιά λ, λ·, und λ" die Wellenlängen für die Aufzeichnung des Hologramms, für die Rekonstruktion des Hologramms bzw. für die Rekonstruktion in einem Medium mit dem Brechungsindex η sind»

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