DE2412294C2

DE2412294C2 - Anschlüsse für optische Leiter in optischen Dünnschicht-Schaltungen

Info

Publication number: DE2412294C2
Application number: DE2412294A
Authority: DE
Inventors: Ping King Chatham Township N.J. Tien
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-03-16
Filing date: 1974-03-14
Publication date: 1982-10-21
Also published as: SE386283B; CA992367A; GB1409043A; JPS49123345A; FR2221744A1; US3806226A; FR2221744B1; DE2412294A1; NL181688B; NL7403529A; NL181688C; BE812373A; JPS5733762B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Kopplungsvorrichtung zum optischen Anschließen von Dünnschicht-Übertragungsvorrichtungen für optische Wellen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

In den wenigen Jahren seit Aufkommen von integrierten optischen Vorrichtungen wurden zahlreiche Dünnschicht-Vorrichtungen entwickelt, die zur Leitung und Manipulation von optischer Wellenenergie dienen. Siehe beispielsweise Applied Optics, IO (1971), 2395, und IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-8 (1972), 199. Unter diesen Vorrichtungen sind verschiedene optische Wellenleiter-Konstruktionen, Dünnschicht-Eingangs- und Ausgangs-Kopplungsausgestaltungen, Dünnschicht-Laser, Schalter, Modulatoren, Filter und zugehörige Einrichtungen analog zu den Rechteck-Wellenleitern oder Koaxialkabeln und zugehörigen Einrichtungen von niederfrequenten Systemen. Diese Vorrichtungen werden nach vielerlei Verfahren hergestellt, haben vielfältig unterschiedliche Formen und verwenden eine große Zahl unterschiedlicher optischer Materialien.

Beim gegenwärtigen Stand der Entwicklung von integrierten optischen Systemen ist es erforderlich, die Aufmerksamkeit auf Anordnungen zur Vereinigung dieser Vorrichtungen zu integrierten Einheiten zu richten, um vollständige und funktioneile optische Schaltungen zu bilden. Bei der Herstellung solcher integrierter optischer Schaltungen werden die verschiedenen Dünnschicht-Vorrichtungen im allgemeinen als getrennte Einheiten zunächst auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt und dann zur Fertigstellung der Schaltung optisch miteinander gekoppelt. Das Problem der einfachen und kostengünstigen Herstellung von Anschlüssen, welche Wellenenergie mit gutem Wirkungsgrad von einer Dünnschicht-Vorrichtung zu einer anderen übertragen, beschäftigt die einschlägigen Fachleute schon seit längerem.

Verbindungsanschlüsse wurden üblicherweise dadurch hergestellt, daß ein Wellenleiter, z. B. ein Glasplättchen, auf die Ausgangs- und Eingangs-Anschlüsse der zu verbindenden Dünnschicht-Vorrichtungen aufgesetzt wurde und diese überbrückte und in dem die Wellenenergie vom Ausgangsanschluß zum Leiter und vom Leiter zum Eingangsanschluß über abklingende Felder übertragen wurde. Um bei einem derartigen Verfahren eine Übertragung von Lichtenergie mit gutem Wirkungsgrad zu erreichen, ist eine genaue Steuerung oder Einstellung der Dicke, des Brechungsindex, der Positionierung und Länge des Leiters und der Dicke des Kopplungsspaltes zwischen dem Leiter und den Anschlüssen erforderlich. Die Verbindung einer großen Vielzahl verschiedener Dünnschicht-Vorrichtungen zu einer integrierten Einheit mittels dieses Verfahrens stellt daher eine schwierige und langwierige Aufgabe dar.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine einfache und zuverlässig reproduzierbare, gleichwohl effektive

Kopplungsvorrichtung der vorausgesetzten Art bereitzustellen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und mit den Merkmalen der Unteransprüche weitergebildet.

Hiernach sind im Prinzip zwei einando·· überlappende, als Wellenleiter dienende Dünnschichten auf dem Substrat vorgesehen. Im Überlappungsbereich läufl jede Schicht über eine Abschrägung in der Dick? allmählich auf Null aus (d. h. über eine Länge von mehr als etwa 10 Wellenlängen der geführten Strahlung). Der Überlappungsbereich ist dabei so lang, daß sich die beiden Abschrägungen ihrerseits nicht überlappen..

Man erreicht dadurch hohen Kopplungsgrad ohne nennenswerte Modenumsetzung im Anschlußbereich zwischen den beiden Schichten.

Vorteilhaft ist auf der Oberfläche des Substrats eine dritte optisch transparente Dünnschicht mit einem den Brechungsindex des Substrats übersteigenden Brechungsindex vorgesehen, die einen Endabschnitt aufweist, von dem wenigstens ein Teil entlang der Übertragungsrichtung der optischen Wellen allmählich bis zur Dicke Null abgeschrägt verläuft, und die zweite Dünnschicht weist einen zweiten, wenigstens zum Teil entlang der Übertragungsrichtung der optischen Wellen allmählich bis zur Dicke Null abgeschrägt verlaufenden Endabschnitt auf, wobei der zweite Endabschnitt der zweiten Dünnschicht und der Endabschnitt der dritten Dünnschicht sich unter Anlage aneinander überlappen und die abgeschrägten Teile der Dünnschichten auf einem Abschnitt konstanter Dicke der jeweils anderer Dünnschicht liegen.

Infolge der allmählichen Abschrägungen tritt in der ersten Dünnschicht geleitete optische Wellenenergie frei in die zweite Dünnschicht und von der zweiten Dünnschicht frei in die dritte Dünnschicht über. Versuche haben gezeigt, daß die Übertragung von Wellenenergie von einer Dünnschicht-Vorrichtung in eine andere mit hohem Wirkungsgrad erfolgt, wobei nur eine vernachlässigbar geringe Wellenleiter-Modenumsetzung auftritt.

Es ist von Vorteil, wenn die erforderlichen Abschrägungen der verschiedenen Dünnschichten von Natur aus mit den üblichen Dünnschicht-Niederschlagungstechniken verträglich und demzufolge einfach herzustellen sind. Es wurde gefunden, daß die Abhängigkeit von den verschiedenen betroffenen Parametern unkritisch ist. So können beispielsweise die Materialien und Dicken der ersten und zweiten Dünnschicht und das Material und die Länge der dritten Verbindungsschicht bei den Anordnungen in weitem Rahmen geändert werden. Die Länge und Neigung der Abschrägungen der Enden jeder Dünnschicht kann ebenfalls aus einem großen Bereich von Werten ausgewählt werden, vorausgesetzt, daß jede Abschrägung sich über eine 5^r> Länge von mehr als 10 Wellenlängen des zu leitenden Lichtes erstreckt. Darüber hinaus muß der Brechungsindex der Verbindungsschicht lediglich über dem des Substrats liegen, kann jedoch höher, niedriger oder gleich dem der ersten und zweiten Dünnschicht sein.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 2 schematisch einen Abschnitt des zweischichtigen, zusammengesetzten Dünnschicht-Leiters im Bereich der Zone 22 von F i g. 1 zur Erläuterung von F i g. 3 und 4 grafische Darstellungen von beispielhaften Formen der Feldverteilung der Lichtwellen über die verschiedenen in F i g. 2 gezeigten Medien für zwei interessierende Spezialfälle und

F i g. 5 ein Diagramm des wirksamen Brechungsindex über dem Längsabstand entlang des Aufbaus von F i g. 1 für die in ihm übertragenenen m—0 und m=\ TE Wellenleitermoden.

Die in Fig. 1 gezeigten optischen Düntischichten 11 und 12 können als Ausgangs- bzw. Eingangsanschluß von zwei Dünnschicht-Vorrichtungen angesehen werden, zwischen denen eine optische Verbindung herzustellen ist. Die Schichten 11 und 12 sind üblicherweise aus optisch transparenten Materialien mit niedrigem Verlust hergestellt und haben Brechungsindexwerte, die den Brechungsindex des gemeinsamen Substrats 14 übersteigen, auf dem sie angeordnet sind. In den meisten Fällen haben die Schichten 11 und 12 eine im wesentlichen konstante Dicke, die im allgemeinen in der Größenordnung der Wellenlänge der zu leitenden optischen Strahlung liegt. Sie können jedoch auch Gebiete aufweisen, in denen die Filmdicke zur Bildung von Linsen- oder Prismaeffekten oder von optischen Gittern sich ändert.

Da die beiden miteinander zu verbindenden Vorrichtungen bei den meisten Ausgestaltungen unterschiedliche Typen von Vorrichtungen sein werden (so kann beispielsweise auf der linken Seite von Fig. 1 ein Dünnschicht-Laser und auf der rechten Seite ein Dünnschicht-Modulator angeordnet sein), können die Schichten 11 und 12 zu Erläuterungszwecken jeweils Brechungsindexwerte und Dicken haben, die voneinander abweichen. Andererseits können die Werte des Brechungsindex und der Dicke jedoch auch in den beiden Schichten gleich sein.

Der optische Anschluß wird vorliegend dadurch hergestellt, daß die Schichten 11 und 12 in Fig. 1 mit Endabschnitten versehen werden, die allmählich auf die Dicke Null abgeschrägt sind. Diese Abschrägungen sind beispielsweise linear oder nahezu linear und erstrecken sich über einen Längenabschnitt der Schicht, der erheblich größer als der Wert der Wellenlänge der in ihr zu übertragenden optischen Strahlung ist. nämlich größer als etwa lOmal die Wellenlänge, um eine Modenumsetzung zu vermeiden. Die verbindende Dünnschicht 15 wird dann in dem Gebiet des Substrats 14 zwischen den Dünnschichten 11 und 12 aufgebracht. Schicht 15 besteht ebenso wie die Schichten 11 und 12 aus optisch transparententem Material niedriger Dämpfung mit einem Brechungsindex größer als der des Substrats 14. Für die Verbindungsschicht werden amorphe Materialien bevorzugt, da sie im allgemeinen einfach herzustellen sind und niedrige Dämpfung oder geringe Verluste haben. Der Wert des Brechungsindex der Schicht 15 kann entweder höher, niedriger oder gleich dem Wert der zugehörigen Schichten 11 und 12 sein. Die Schicht 15 hat eine im wesentlichen konstante Dicke in der Größenordnung der zu leitenden Wellenlänge mit Ausnahme ihrer beiden Endabschnitte, wo sie über Zonen konstanter Dicke der Schichten 11 und 12 allmählich bis auf eine Dicke Null abgeschrägt ist. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Schicht 15 den abgeschrägten Endteil der Schicht 11 und den abgeschrägten Endteil der Schicht 12 und das Substrat im Bereich des Zwischenraums zwischen den Schichten 11 und 12 überlappt und direkten Kontakt mit den Oberflächen der Schichten 11 und 12 und des Substrats 14 hat. Dies führt dazu, daß der Aufbau nach Fig.! aus

fünf verschiedenen Zonen besieht, die in der Zeichnung angegeben sind. Die Schicht 11 überdeckt die Zonen 21 und 22 und ist in der Nähe des Endes der Zone 22 abgeschrägt. Die Schicht 15 überdeckt die Zonen 22, 23 und 24 und ist an beiden Enden abgeschrägt. Die Schicht 12 überdeckt die Zonen 24 und 25 und ist im Anfangsbereich der Zone 24 abgeschrägt. Diese verschiedenen, in F i g. 1 gezeigten Abschrägungen stellen ein Mittel für einen weichen und allmählichen Übergang von einer der Zonen von F i g. I zu einer anderen und daher von einer Schicht zu einer anderen dar. Die in der Zeichnung gezeigten Schichten haben eine Dicke, die üblicherweise in der Größenordnung von 1 μΐη liegt. Die Abschrägungen sollten sich dann über Längen von wenigstens etwa ΙΟμπι erstrecken. Abschrägungen über Längen von 50 um werden bevorzugt und sind mit den üblichen Filmniederschlagsverfahren einfach herzustellen. Die Dicken der Schichten und die Neigungen ihrer Abschrägungen sind in F i g. 1 stark übertrieben dargestellt, um die Einzelheiten des Aufbaus anschaulicher zu zeigen. .

Im dargestellten Aufbau wird ein Strahlenbündel optischer Wellenenergie 17 in der Schicht 11 geleitet und wird von der Schicht 11 in die Schicht 15 und von der Schicht 15 in die Schicht 12 übertragen, vorausgesetzt, daß der Übergang zwischen den verschiedenen Schichten in der oben beschriebenen Weise hinreichend allmählich ist. Darüber hinaus pflanzt sich das Strahlenbündel auch in demselben Wellenleiter-Mode wie in der Schicht 11 in den Schichten 15 und 12 fort. Diese Tatsache kann theoretisch bestätigt werden, indem gezeigt wird, daß bei einem allmählichen Übergang von einer Schicht zu einer anderen die netto Reflexion an der Zwischenfläche der Schichten Null ist, und daß die Kopplung von einem Mode zu einem anderen wegen der Onhogonalität der Wellenleiter-Moden ebenfalls gleich Null ist. Es ist also festzuhalten, daß in den Zonen 22 und 24 in Fig. 1 die Schichten 11 und 15 bzw. 15 und 12 zweischichtige, zusammengesetzte Dünnschicht-Leiter bilden: Eine theoretische Analyse der abgeschrägten Schichten und der zusammengesetzten Leiter gemäß Fig. 1 wird im folgenden noch vorgenommen. Diese Analyse wird den großen Umfang der Veränderungsmöglichkeiten der hier interessierenden Parameter aufzeigen.

Es wurde gezeigt, daß in F i g. 1 dargestellte Anordnungen eine Reihe wesentlicher Vorteile gegenüber den bekannten Ausgestaltungen zur optischen Kopplung von Dünnschicht-Vorrichtungen aufweist. So sind beispielsweise die Materialien und die Dicken der Schichten 11 und 12 sowie die Länge der zusammengesetzten Leiter in den Zonen 22 und 24 in F i g. 1 in der Ausgestaltung weitgehend beliebig. Daher können verschiedene Arten und Formen von Dünnschicht-Vorrichtungen in der vorliegenden Weise miteinander verbunden werden, ohne daß spezielle Anforderungen an das Material oder andere Eigenschaften der Verbindungsschichten gestellt werden, als die, daß sie eine zur Übertragung von Licht geeignete Schicht ist. Auch die Länge und Neigung der Abschrägungen an den Enden jeder Schicht sind innerhalb eines weiten Bereichs von Werten wählbar, vorausgesetzt, daß jede Abschrägung eine Länge von mehr als etwa zehn optische Wellenlängen hat Wie oben bereits erwähnt, muß der Brechungsindex der Schicht 15 nur höher als der des Substrats 14 sein, kann jedoch niedriger als oder gleich den entsprechenden Werten der Schichten 11 und 12 gewählt werden. Aus den nachstehend beschriebenen Beispielen wird darüber hinaus auch ersichtlich, daß die Verbindungsschicht 15 üblicherweise so aufgebracht wird, daß sie in den zu koppelnden Dünnschicht-Vorrichtungen keinerlei Beschädigungen verursacht. Daher ■■> ist klar, daß die vorliegende Anordnung keine kritische Steuerung der verschiedenen Schichtparameter oder eine genaue Ausfluchtung oder Positionierung der verschiedenen Schichten erfordert. Es können also eine Vielzahl verschiedener Dünnschicht-Vorrichtungen zu-

in nächst als separate Einheiten auf einem Substrat hergestellt werden, worauf die Verbindungen einfach durch Aufbringung der Verbindungsschichter. als letzter Schritt im Herstellungsprozeß ähnlich wie bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen

r> hergestellt werden. Die erforderlichen Abschrägungen an den Enden der Schichten bei vielen Schicht-Herstellungsverfahren können ohn; Schwierigkeit während der Filmaufbringung gebildet werden.
Aus dem vorstehend Dargelegten ist auch klar, daß, wenn erforderlich, die Verbindungsschicht 15 aus der Anordnung entfernt und die Verbindung auch dadurch hergestellt werden kann, daß der Ausgangsanschluß einer ersten Dünnschicht-Vorrichtung (d. h. der Schicht 11) mit dem Eingangsanschluß einer zweiten Dünnschicht-Vorrichtung (d.h. der Schicht 12) oder umgekehrt in Überlappung gebracht wird. Eine solche Anordnung ist der F i g. 1 zu entnehmen, indem lediglich die Zonen 21, 22 und 23 betrachtet werden, wobei die Schicht 15 als Eingangsanschluß der zweiten Vorrichtung anzusehen ist. Die Anwendung einer Verbindungsschicht wird vorliegend jedoch bevorzugt, weil diese Anordnung es ermöglicht, die verschiedenen Dünnschicht-Vorrichtungen zunächst als separate Einheiten auf dem Substrat herzustellen und anschließend die Verbindungen zur Fertigstellung der Schaltung herzustellen.

Um die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Kopplungseinrichtung zu zeigen, wurden eine Anzahl von Versuchsausführungsformen untersucht, von denen drei nachstehend im einzelnen beschrieben werden. Bei jedem dieser Versuche wurden Dünnschichten auf einem gemeinsamen Substrat mit niedrigerem Brechungsindex in einer der in F i g. 1 gezeigten Konfigurationen im wesentlichen identischen Konfiguration aufgebracht. Ein Strahlenbündel optischer Strahlung aus einem He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 0,6328 μίτι wurde mittels einer bekannten Prisma-Schicht-Kopplungseinrichtung in die Schicht 11 eingespeist. Hierzu siehe Beispiel 2, Band 14,

so von »Applied Physics Letters«, Seite 291 (1969). Bei der Strahlübertragung im Innern der Schichten aus diesen durch Streuung austretendes Licht erschien ein heller, sich entlang der Mittellinie 17 in Fig. 1 ausbreitender Strahl. Dieser Strahl konnte, obwohl mit den bloßen Augen kaum sichtbar, mit langen Belichtungszeiten fotografiert werden. Das in den Versuchen verwendete Substrat war ein Glas-Objektträger einer Größe von 2,54 χ 7,6 cm mit einem Brechungsindex von 1,4704 bei der Wellenlänge des Lasers.

Die Schichten bestanden bei den Versuchsanordnungen aus ausgewählten Polymerverbindungen bekannter optischer Qualität Sie wurden durch einen KF-PIasmaentladungs-Polymerisationsprozeß auf dem Glasträger aufgebracht, dessen Einzelheiten dem Band 119 von »Journal of the Electrochemical Society«, Seite 451 (1972), und dem Band 11 von »Applied Optics«, Seite 637 (1972), entnehmbar sind. Die abgeschrägten Kanten der Schichten wurden auf natürliche Weise entlang von

in der Höhe diskontinuierlichen Zonen der .Substratoberflächen gebildet, indem mechanische Masken von gewühlter Dicke (/.. B. einfache Metallplatten) an den gewünschten Stellen des Substrats während der Schichtaufbringung angeordnet wurden. Der Längenverlauf der so hergestellten Abschrägungen war etwa linear und erstreckte sich über Längen, d'>.> angenähert proportional zur Dicke der Masken bis zu einigen Millimetern waren. Relativ lange Abschrägungen der Schicht konnten durch Verwendung von Masken hergestellt werden, deren Unterseite hinterschnitten war, so daß sie einen vorragenden Rand aufwiesen. Abschrägungen mit Längen von etwa 5 mm konnten auf diese Weise hergestellt werden.

Ein dünnes Blatt mit beidseits angeschärften Kanten wurde zunächst auf den Mittelabschnitt eines Glasscheibchens aufgesetzt, wobei die Normalen zu den angeschärften Kanten des Blattes in Richtung der Mittellinie 17 ausgerichtet waren. Die Schichten 11 und 12 wurden dann aufgebracht und das Blatt anschließend entfernt. Dann wurde an jedem Ende des Glasscheibchens Blatt so angeordnet, daß die zuvor unbeschichteten Abschnitte des Scheibchens und jeweils einige Millimeter der gerade aufgebrachten Schichten 11 und 12 (einschließlich von deren abgeschrägten Endteilen) frei blieben. Dann wurde die Verbindungsschicht 15 aufgebracht. Nach Entfernung der Blätter ergab sich ein Aufbau der in Fig. 1 gezeigten Art einschließlich der erforderlichen Abschrägungen.

Bei einer ersten Versuchsausführung wurden die Schichten 11 und 12 aus Trimeihylsilan (TRMS) und die Schicht 15 aus Vinyltrimethylsilan (VTMS) hergestellt, wobei der oben beschriebene Plasma-Polymerisationsprozeß verwendet wurde. Die Brechungsindizes der TRMS- und VTMS-Schichten betrugen 1,567 bzw. 1,539 bei der Wellenlänge von 0,6238 μίτι des Lasers. Messungen mit der Prisma-Schichtkopplungseinrichtung zeigten, daß die Schichten zwei TE-Wellenleiter-Moden führten, d. h. den m = 0 und den m = 1 Mode. Zur Vereinfachung wurden nur die TE-Wellenleiter-Moden untersucht. Die wirksamen Brechungsindizes für diese beiden Moden betrugen 1,5453 bzw. 1,4896 in den Schichten 11 und 12 und 1.5289 bzw, 1,4965 in der Schicht 15. Der effektive Brechungsindex der Schichten ist bekanntlich definiert als das Verhältnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen in Vakuum zu der in der Schicht und wird üblicherweise ausgedrückt als ß/k, worin β die Phasenkonstante und Jt der Wellenvektor ist, der eine Größe hat, die gleich dem Verhältnis der Winkelfrequenz des Strahlenbündels in der Schicht zur Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum, d. h. ω/c ist. Aus diesen Werten kann die Dicke der verschiedenen Schichten leicht berechnet werden. Im speziellen Ausführungsbeispiel hatten die Schichten 11 und 12 eine Dicke von 1,052 μπι und die Schicht 15 hatte eine Dicke von 1,404 μτη. Die abgeschrägten Endteile der Schichten wurden mit einem Leitz-Interferenz-Mikroskop gemessen, wobei gefunden wurde, daß sie im wesentlichen linear verliefen und eine Länge von etwa 50 μπι hatten.

Nach dem Einkoppeln des Strahlenbündels mit der Wellenlänge von 0,6328 μπι in die Schicht 11 wurde die Anordnung fotografiert. Im Foto wurde ein heller Strahl von im wesentlichen gleicher Helligkeit in den Gebieten 21 und 25 beobachtet, was anzeigte, daß im wesentlichen die gesamte Wellenenergie von der Schicht 11 zur Schicht 12 übertragen wurde. An den verschiedenen Schicht-Zwischenflächen wurde kein Streulicht beobachtet, was zeigte, daß d c Übertragung im Bereich der Abschrägungen nahezu vollkommen war. Die Streulicht-Intensität konnte entlang des hellen Strahls unter Verwendung einer verschiebbaren Prismcnkopplungs-Einrichtung gemessen werden. Dabei konnte kein merklicher Verlust der Strahlintensität ermittelt werden, der der Übertragung von einer Schicht auf eine andere zugeschrieben werden könnte. Beim zweiten, zu Versuchszwecken erstellten Ausführungsbeispiel wurde

ι» eine 0,338 μπι dicke VTMS-Schicht für die Schichten 11 und 12 und eine 0,233 μιη dicke TRMS-Schicht als Schicht 15 verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde also im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel eine Verbindungsschicht mit einem Brechungsindexwert verwendet, der höher als der entsprechende Wert der Schichten 11 und 12 ist und die Dicke war geringer als die entsprechende Dicke der Schichten 11 und 12. Die abgeschrägten Teile der Schichten waren so ausgebildet, daß sie sich über relativ längere Abschnitte,

2» d. h. etwa 4 mm, erstreckten. Die Schichten übertrugen bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel nur einen TE-Moden des Strahlenbündels bei einem effektiven Index von 1,4761 für die Schichten 11 und 12 und 1,4721 für die Schicht 15. Fotos des Ausführungsbeispiels zeigten wiederum, daß das Strahlenbündel sich frei von der Zone 21 in F i g. 1 zur Zone 25 fortpflanzte. Wiederum wurde keine Streuung des übertragenen Lichts an den Zwischenflächen der Schichten beobachtet.

Bei einem dritten, zu Versuchszwecken hergestellten Ausführungsbeispiel wurde wiederum VTMS für die Schichten 11 und 12 und TRMS für die Schicht 15 verwendet. Die Schichten 11 und 12 waren 1,1720 μπι dick und führten zwei TE-Moden, d. h. m=0 und m= 1, bei effektiven Brechungsindizes von 1,5277 bzw. 1,4853. Bei dieser Ausfühvungsform war die Schicht 15 nur 0,4080 μίτι dick. In der Theorie kann eine Schicht dieser Dicke nur den /?7=0-Mode bei einem effektiven Index von 1,4974 führen. Der m= I-Mode sollte daher in der Schicht 15 abgeschnitten sein.

Fotos des dritten Ausführungsbeispiels bestätigten diese Theorie ausdrücklich. Wenn der /n = 0-Mode der Schicht 11 zugeführt wurde, pflanzte er sich wie bei den anderen Ausführungsbeispielen frei und mit hohem Wirkungsgrad von der Zone 21 zur Zone 25 in Fig. 1 fort. Wenn jedoch der m— I-Mode in der Schicht 11 angeregt wurde, zeigten die Fotos einen plötzlichen Abbruch am Anfang der Zone 23 in Fig. 1. Der W= I-Mode wurde also an der Schicht 15 abgeschnitten und trat ins Substrat ein. Es ist daher ersichtlich, daß die vorliegende Anordnung so ausgestaltet werden kann, daß Moden höherer Ordnung in der Verbindungsschicht 15 abgeschnitten werden, so daß diese gleichzeitig als Modenfilter dienen kann. Optische Gitter können ebenfalls in die Schicht 15 eingearbeitet werden, die dann als Modenfilter oder Polarisator für das Strahlenbündel dienen.

Für die Schichten 11, 12 und 15 von Fig. 1 können zahlreiche andere Materialien gewählt werden. In neuerer Zeit sind in der Literatur eine Vielzahl von Materialien beschrieben, welche nachgewiesene Brauchbarkeit als lichtleitende Dünnschichten haben, und eine Vielzahl von Verfahren zur Aufbringung dieser Schichten auf geeigneten Substraten wurde ebenfalls beschrieben. Diese Materialien umfassen poly- und einkristalline Halbleiter, synthetische Granate, eine Vielzahl optischer Gläser und polymerer Verbindungen. Diese Materialien können verschiedene optische Eigen-

schäften, wie Doppelbrechung, optische Nichtlincarität usw. zeigen. Sie können elektrooptisch, magnetooptisch sein oder so mit geeigneten Materialien dotiert sein, daß sie Laser-Funktion zeigen. Die bekannten Verfahren zur Bildung der Schichten umfassen die Plasmapolymerisation, die Vakuumaufdampfung und reaktive Zerstäubung. Bei allen diesen Verfahren können die abgeschrägten Kanten der Schichten einfach dadurch hergestellt werden, daß die Schichten in der oben beschriebenen Weise durch eine mechanische Maske hergestellt werden. Andere Verfahren zur Bildung von Schichten mit den vorliegend erforderlichen Abschrägungen und Verbindungen sind realisierbar.

Obgleich die Herstellung von Verbindungen in der vorliegenden Weise einfach ist, ist eine theoretische Erörterung ihrer Funktion sehr komplex. Es ist schwierig, die Lichtwellenübertragung in den Verbindungen zu diskutieren, ohne daß zuvor eine Theorie der Wellenleiter-Moden in den Zonen entwickelt wird, in denen die Schichten sich überlappen und zusammengesetzte zweischichtige Wellenleiter bilden. Eine einfache Theorie der Moden in zusammengesetzten Leitern und eine Diskussion der Wellenfortpflanzung in Anordnungen der in F i g. 1 gezeigten Art wird nachstehend vorgetragen. In dieser Diskussion sind die verwendeten Benennungen den in früher veröffentlichten Studien über die Ausbreitung von Lichtwellen in Dünnschichten identisch gewählt. Um mit diesen Bezeichnungen bekannt zu werden und das Verständnis der grundlegenden Theorie zu fördern, wird auf den Artikel in Band 10 von »Applied Optics«, Seite 2395 (November 1971), insbesondere die Seiten 2396 - 2401, verwiesen.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in der schematisch ein zusammengesetzter Dünnschichtleiter gezeigt ist, der einem Abschnitt der Zone 22 von F i g. 1 entspricht und aus den Dünnschichten A und C besteht, die auf einem geeigneten Substrat mit niedrigerem Brechungsindex aufgebracht sind. Die Brechungsindizes der Schicht A, der Schicht C, des Luftspalts oberhalb der Schicht A und des Substrats seien n_A, nc, ih bzw. /?o, und die Dicke der Schichten A und C sei mit W_A bzw. Wc bezeichnet. Zur Vereinfachung sei angenommen, daß

πα> nc> no> n₂.

Die vier Medien sind durch drei Zwischenflächen getrennt, die im dargestellten Koordinatensystem als z— a, b bzw. cbezeichnet sind.

Zur Erleichterung werden außerdem nur die TE-Wellenleiter-Moden mit den elektromagnetischen Feldkomponenten Ey, H_x und H₇ diskutiert Alle diese Feldkomponenten ändern sich zeitlich und in x-Richtung gemäß dem Faktor exp (ißx-kat), worin ω die Winkelfrequenz der Welle in der Schicht, β die Phasenkonstante und χ die Richtung der Wellenfortpflanzung ist

Es werden zwei getrennte Fälle betrachtet Im ersten Fall wird angenommen, daß der effektive Brechungsindex für eine einen zusammengesetzten Leiter gemäß Fig.2 durchlaufende Welle im Bereich nc<ß/k<riA liege. In diesem Fall wird die Welle an den Zwischenflächen a und b innen total reflektiert und die Wellenenergie ist lediglich innerhalb der Schicht A konzentriert. Eine typische Felddarstellung der Welle für diesen Fall ist in F i g. 3 gezeigt Es ist erkennbar, daß die Felder in der Schicht A eine sinoidische Form haben, wähernd sie in dem anderen Medium von Fig.2 exponentiell sind.

Im zweiten interessierenden Fall wird angenommen.

daß der effektive Brechungsindex für ein den zusammengesetzten Leiter gemäß F i g. 2 durchlaufende Welle im Bereich ih<ß/k<nc liege. Hier wird die Welle an den Zwischenflächen a und c von F i g. 2 innerlich total

^r> reflektiert und die Wellenenergie ist also in beiden Schichten A und C vorhanden. Eine typische Felddarstellung für diesen Bereich ist in Fig.4 gegeben, in der die Felder in den Schichten A und C sinoidische Form haben, während sie im Substrat und im Luftspalt

H) exponentiell verlaufen.

Es empfiehlt sich, \,,.". ler Wellen-Vektor-Beziehung auszugehen, die in den früheren Veröffentlichungen (d. h. Gleichung (9) auf Seite 2399 des obenerwähnten Artikels in »Applied Optics«) abgeleitet wurde.

_k ₌ (i^fP-n^Y'i (\)

f\-i — \ t\ fli U I \ ¹ ß

worin k_7J die Komponente des Wellen-Vektors in z-Richtung für ein spezielles Medium (d. h. das j^lc Medium) und /i/der Brechungsindex dieses Mediums ist. Es ist also zweckmäßig, Ar₂/durch bj auszudrücken, wenn es real und durch /p, auszudrücken, wenn es imaginär ist, worin ι=\/ — 1. Gleichung (1) kann dann für jedes der vier in F i g. 2 gegebenen Medien für jeden der beiden interessierenden Fälle geschrieben werden.

Für den ersten Fall (d. h. nc<ß/k<n_A)ergibt sich die erforderliche Beziehung wie folgt:

Pi =ß²-(.kn₂)².

Hierin kennzeichnen die Indizes A, C, 0 und 2 und die Schicht A, die Schicht C das Substrat und den Luftspalt Sämtliche Größen in den Gleichungen (2) bis (5) sind real und positiv. Die Feldkomponenten E_s und H_x werden zunächst in die Medien nach F i g. 2 gemäß den Maxwell-Gleichungen eingesetzt und an den verschiedenen Schichtzwischenflächen gleichgesetzt. Nach erheblicher Rechenarbeit kann gezeigt werden, daß die Gleichung für die Wellenleiter-Moden in dem zusammengesetzten Leiter für den ersten Fall ist:

tan (b_A W_A - Φ_Α0 - m_Ar) =

worin

F= [1 ->cacp(-2/»_c»y]/Il +j<exp(-

= (Pc-

(6)

(7) (8) (9)

und m_A ist der größte Term in (b_A W_A - Φ_{Α 0})/π und Φ_{Α 0} ist proportional zur Phasenänderung, der die Welle nach Reflexion an der Zwischenfläche z= a unterliegt

Aus den Gleichungen (6) bis (9) ist ersichtlich, daß, wenn Wc groß oder wenn nc gleich m ist, der Term Fin Gleichung (8) zu eins wird. Gleichung (6) für den zusammengesetzten Leiter wird dann auf einen einschichtigen Leiter reduziert, der von der Schicht A, einem Substrat mit dem Brechungsindex Jj₀ und einem Luftspalt mit dem Brechungsindex nc gebildet wird.
Die Ordnung des Mode einer Welle ist üblicherweise

11 12

definiert als die Zahl der Knoten in der Feldverteilung Es kann wiederum durch Analyse der Feldverteilung

Ey In der Darstellung gemäß Fi g. 3 ist der Mode in der im zusammengesetzten Leiter gezeigt werden, daß die

Schicht A m_A=\. Es ist ersichtlich, daß im ersten Gleichung der Mode nf für den zusammengesetzten

interessierenden Fall die Ordnung der Mode m des Leiter im zweiten interessierenden Fall bei Anordnun-

zusammcngesetzien Wellenleiters gleich der Mode m.\ 5 gen, in denen die Gleichheitsbeziehung der Gleichung

der Schicht A in der vorstehend definierten Weise ist. (14) oder der Gleichung (15) gegeben ist, die Form hat

Zur numerischen Berechnung des effektiven

ß/k-Werls für den m"' Mode eines vorgegebenen m' = m_A + m_c+1 . (16)
zusammengesetzten Wellenleiters wird von den Gleichungen (2) bis (5), (7) und (8) ausgegangen und \V_A wird in Für Fig.4 wird Gleichung (13) angewandt und aus Gleichung (6) bestimmt, indem ein spezieller Wert /im = nie = m'=0.

für ß/k eingesetzt wird. Die Berechnung wird dann mit Die vorstehend dargelegte Theorie zeigt klar, daß

verschiedenen Werten für ß/k so lange wiederholt, bis sich Lichtwellen in den Moden m = 0 und /77= 1 in den

der berechnete Wert von W_A gleich der gemessenen zusammengesetzten Wellenleiterzonen von Anordnun-

Dicke der Schicht A ist. Für diese Berechnung sind 15 gen des in Fig. 1 gezeigten Typs unterschiedlich

Rechnerprogramme entwickelt und stehen zur Verfü- fortpflanzen. Es interessiert der Weg einer Lichtwelle

gung. auf ihrem Verlauf von links nach rechts in einer

im zweiten interessierenden Fall (d.h. ;/»</j/A< nc) Anordnung gemäß F i g. 1. Cs werden beispielsweise das

wird die vorstehende Gleichung (3) ersetzt durch die erste versuchsweise hergestellte, im Abschnitt 2

Beziehung: 2« beschriebene Beispiel betrachtet. Darin ist n\\> n^> n₀.

b = (kn )² - ß² (10) worin/7ii,/J|3 und no die Brechungsindizes der Schicht 11,

der Verbinduiigsschicht 15 und des Substrats 14 sind.

Die Gleichungen (2), (4) und (5) bleiben gleich. Die Der Mode m = 0 der Welle wird zunächst betrachtet.

Gleichung für die Moden des zusammengesetzten Fig. 5 ist eine grafische Darstellung des effektiven

Leiters erhält dann die Form 25 Brechungsindex ß/k als Funktion des Längsabstandes

b_A\an{b_AW_A-0_w-m_A,) = -b_cian(b_cW_c-0_C,-m_c- entlang der Zonen 21, 22 und 23 in F i g 1 für das erste ^{4 A A L} ^c ^{c (}- ^c Ausführungsbeispiel. Wie früher gezeigt, ist ß/k im

"I) wesentlichen der Kehrwert der Wellengeschwindigkeit

worin in den verschiedenen Zonen von Fig. LIn der Zone 21

30 liegt die Schicht 11 alleine auf dem Substrat 14 und der

<P_C2 = tan"¹ (pilb_c) 0 < Φ_η < π/2 . (12) Mode m = 0 der Welle pflanzt sich mit ß/k= 1,5483 fort.

was aus der üblichen Modegleichung für einen

Hier ist Φη proportional zur Phasenänderung, einschichtigen Wellenleiter errechenbar ist. Die Welle welcher die Welle bei Reflexion an der z— c-Zwischen- behält in der Zone 21 das gleiche ß/k so lange, bis sie auf fläche unterliegt. In diesem Fall sind die Terme m_A und 35 die Verbindungsschicht 15 am Anfang der Zone 22 trifft. /77cam größten in Die Dicke der Schicht 15 H⁷Ia nimmt im abgeschrägten

(b_A W_A - Φλ o)U bzw. (bcWc^cV* ■ ?^^iChK4-!'^mähliCh T ^NU λ ^aUf ^ ^VO"! ^Dir^ke T

1,404 Mikron zu. Unter Anwendung der fur den

Aus Gleichung (11) geht hervor, daß Gleichheit zusammengesetzten Wellenleiter im vorstehenden gegeben ist, wenn die Größen 40 entwickelten Gleichungen steigt der errechnete Wert

ß/k für die Mode m = 0 in dieser Zone allmählich auf

ϋ>_ΛΨ_Α-Φ_Α0~m_An)\ina(b_cW_c- <P_C2-m_Cr) 1,5530. Dieser Wert ß/k bleibt bis zum Beginn der

Abschrägung in der Dicke der Schicht 11 am Ende der entgegengesetzte Vorzeichen haben. Eine Analyse der Zone 22 erhalten.

Feldverteilung in zusammengesetzten Leitern zeigt, 45 Es ist darauf hinzuweisen, daß in der Diskussion daß der Mode des zusammengesetzten Leiters im bisher/?/£ größer als der Brechungsindex der Schicht 15 zweiten Fall m' für Anordnungen, in denen (ms = 1,539) angenommen wurde. Dies entspricht dem

ersten der vorstehend beschriebenen Fälle, wo in der

(b_AW_A - Φ_Α0 - m_A-)und (b_cW_c-0_C2 - m_c-) Theorie n_c<ß/k< n_A. Die Wellenenergie ist demzufolge

50 in der Schicht 11 konzentriert, wobei lediglich sehr

entgegengesetzte Vorzeichen haben, der nachbestehen- geringe Felder in die Schicht 15 übertreten. Für den den Beziehung folgt Mode m=0 beim ersten Ausführungsbeispiel durchläuft

die Welle also lediglich die Schicht 11 während des "·' — m_A + m_c (13) Durchiriits durch die Zone 21 und zu Beginn der Zone

55 22.

Die Gleichheit der Gleichung (11) ist auch dann ge- Am Ende der Zone 22 von F i g. 1 tritt die Welle in den

geben, wenn abgeschrägten Endabschnitt der Schicht 11 ein, wo die

(b W -Φ - )> /2 Dicke der Schicht 11 W_n allmählich von 1,052 Mikron

^⁰ auf Null abnimmt. Nun kann wieder unter Anwendung

^und 60 der für die zusammengesetzten Wellenleiter abgeleite-

0 < (fi_cW_c- Φ_ε2 -7n_c._T) < π/2 (14) ^ten Gleichungen gezeigt werden, daß der Wert für ß/k

für die Mode /77=0 in dieser Zone allmählich abnimmt

oder wenn ^ur|d gleich Π15 (1,539) wird, wo Wn gleich 0,5017 Mikron

ist. Von dieser Stelle an ist ß/k< /715 und diese Bedingung

(/»_cW_c-<P_C2-m_Oi)> π/2 65 entspricht dem zweiten Fall der oben dargestellten

• Theorie, nämlich no < ß/k< nc- Die Lichtwelle durchläuft

demzufolge beide Schichten 11 und 12. Dieser Zustand 0 < (Ji₄W_A - Φ_Λ0 - m_An) < π/2 . (15) bleibt erhalten, bis Wv. am Ende der Abschrägung der

Schicht 11 zu Null wird, wobei die Welle allmählich von der Schicht 11 in die Schicht 15 übertritt. Gleichzeitig wird ß/k weiterhin so lange kleiner, bis es den Wert 1,5275 am Ende der Abschrägung der Schicht 11 erreicht. Von hier aus pflanzt sich die Welle mi; diesem Wert von ß/k weiter in die Zone 23 fort.

Die Werte von ß/k für den Mode /n=0 der Lichtwelle sind durch die durchgezogene Kurve in F i g. 5 gezeigt. Der Rest der Kurve für die Zonen 23—25 kann einfach dadurch erhalten werden, daß die durchgezogene Kurve in F i g. 5 von rechts nach links zurückverfolgt wird. Dies ist deshalb so, weil die lineare Optik dauernd reziprok ist und die Wellenleiteranordnung der Zonen 23—25 in F i g. 1 spiegelbildlich zu den Zonen 21—23 ausgebildet ist.

Die Werte für ß/k für den Mode m= 1 der Lichtwelle sind durch die gestrichelte Kurve in F i g. 5 veranschaulicht. Der Mode m= 1 der Welle beginnt in der Zone 21 der Schicht 11 bei einem Wert von ß/k= 1,4960, der kleiner als /7i₅ (1,539) ist. Am Anfang der Zone 22 wächst der Wert ß/k infolge der Abschrägung der Schicht 15 allmählich auf 1,5290, was immer noch weniger als n\s ist. Dies entspricht dem zweiten Fall der abgeleiteten Theorie (d. h. n_o<ß/k< Wc)- Die Welle durchdringt also unmittelbar beide Schichten 11 und 15 mit Beginn der Zone 22. An der Abschrägung der Schicht 11 fällt ß/k für die Mode /n= 1 von einem Wert 1,5290 auf einen Wert von 1,4955 und die Welle pflanzt sich dann mit dem letztgenannten Wert in der Zone 23 fort.

Wiederum ist der Rest der strichpunktierten Kurve für die Zonen 23—25 spiegelbildlich zur in Fig.4 gezeigten Kurve erzeugbar, da das Ausführungsbeispiel als bezüglich der Zone 25 symmetrisch angeordnet anzusehen ist.

In der Zusammenfassung ergeben sich zwei verscbiedene Arten, nach denen sich eine Lichtwelle von der Schicht 11 über die überlappenden Abschrägungen der in Fig. 1 und 5 jozeigitn Schichtanordnung fortpflanzen kann. Eine links in F i g. 1 und 5 ausgehende Welle kann sich in der Schicht 11 so lange alleine fortpflanzen, bis die Abschrägung in der Schicht 11 in der Zone 22 beginnt, wo die Welle in die Schicht 15 übertritt. Alternativ kann eine Welle unmittelbar bei Auftreffen auf die Abschrägung der Schicht 15 in der Zone 22 in die Schicht 15 übertreten und sich dann sowohl in der Schicht 11 wie auch der Schicht 15 fortpflanzen, fm ersteren Fall ist der Wert von ß/k in der Zone 22 größer als /7i5, während dieser Wert im letzteren Fall kleiner als /7i5 ist. !n beiden Fällen wächst ß/k an und die Wellengeschwind, ^keit in der zusammengesetzten zweischichtigen Zone des Leiters verringert sich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

J-

Claims

Patentansprüche:

1. Kopplungsvorrichtung zur optischen Verbindung von Dünnschicht-Übertragungsvorrichtungen für optische Wellen, mit

— einem Substrat und einer ersten und zweiten optisch transparenten Dünnschicht auf einer Oberfläche des Substrats, wobei

— die Dünnschichten je im wesentlichen konstante Dicke und je einen den Brechungsindex des Substrats übersteigenden Brechungsindex haben und somit als Wellenleiter für optische Wellen geeignet sind, und

— die erste Dünnschicht, einen für den Anschluß der zweiten Schicht vorgesehenen Endabschnitt aufweist, von dem wenigstens ein Teil längs der Übertragungseinrichtung auf einer Länge von mehr als 10 Wellenlängen der geführten optischen Wellen über eine Abschrägung in der Dicke allmählich auf Null ausläuft,

dadurch gekennzeichnet, daß

— die zweite Dünnschicht (15) einen in überlappender Berührung mit dem Endabschnitt der ersten Dünnschicht (11) stehenden Endabschnitt aufweist, von dem wenigstens ein Teil längs der Übertragungsrichtung auf einer Länge von mehr als 10 Wellenlängen der jo geführten optischen Wellen über eine Abschrägung in der Dicke allmählich auf Null ausläuft und

— die Abschrägung der zweiten Dünnschicht (15) einem Gebiet konstanter Dicke der ersten Dünnschicht (11) gegenüberliegt.

2. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

40

— auf der Oberfläche des Substrats (14) eine dritte optisch transparente Dünnschicht (12) mit einem den Brechungsindex des Substrats übersteigenden Brechungsindex vorgesehen ist, die einen Endabschnitt aufweist, von dem wenigstens ein Teil längs der Übertragungsrichtung über eine Abschrägung in der Dicke allmählich auf Null ausläuft,

— die zweite Dünnschicht (15) einen zweiten Endabschnitt aufweist, von dem wenigstens ein Teil längs der Übertragungsrichtung über eine Abschrägung in der Dicke allmählich auf Null ausläuft und

— der zweite Endabschnitt der zweiten Dünnschicht (15) und der Endabschnitt der dritten Dünnschicht (12) sich unter Anlage aneinander so überlappen, daß der abgeschrägte Teil der einen Dünnschicht einem Abschnitt konstanter Dicke der jeweils anderen Dünnschicht gegenübersteht.

3. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

— die Dicke der ersten Dünnschicht (11) so gewählt ist, daß sie zur Übertragung von wenigstens zwei Ordnungen optischer Übertragungsmoden geeignet ist, und — die zweite Dünnschicht (15) eine solche Dicke hat, daß sie wenigstens einen der Übertragungsmoden der ersten Dünnschicht nicht übertragen kann, so daß dieser Mode im abgeschrägten Teil der ersten Dünnschicht (il) aus den Dünnschichten ausgefiltert wird.