DE2433493A1

DE2433493A1 - Optische wellenleiterlinse

Info

Publication number: DE2433493A1
Application number: DE2433493A
Authority: DE
Inventors: John Sanford Harper; Eric Gung Hwa Lean; Eberhard Adolf Spiller; Janusz Stanislaw Wilczynski
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-09-11
Filing date: 1974-07-12
Publication date: 1975-03-13
Also published as: FR2243451A1; US3917384A; JPS5057255A; FR2243451B1; GB1434457A

Description

Die Fokussierung von Lichtstrahlen in optischen Wellenleitern ist eines der schwierigsten Probleme bei der Anwendung und Benutzung integrierter optischer Elemente und Einheiten. Es wurde schon vorgeschlagen, fokussierende Elemente dadurch zu bilden, daß in einem Wellenleiter Bereiche mit Wellenleiterkoeffizienten eingebaut wurden,, die vom Wellenleiterkoeffizienten des übrigen, beispielsweise aus einer dünnen Schicht bestehenden Wellenleiters verschieden waren. Änderungen des Wellenlexterkoeffizienten können beispielsweise durch Änderung der Dicke oder des Brechungskoeffizienten der den Wellenleiter bildenden Schicht oder durch Anbringung eines aus einem anderen Material bestehenden Überzugs bewirkt werden. Die auf diese Weise erreichbaren Änderungen des Wellenlexterkoeffizienten sind jedoch sehr klein, so daß Linsen mit hohen Auflösungsvermögen nicht erzeugt v/erden können.

Eine fokussierende Wirkung kann auch dadurch erzeugt werden, daß auf der Oberfläche des Substrats des optischen Wellenleiters eine Einbuchtung oder eine Ausbuchtung gebildet wird. Derartige fokus-

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sierende Elemente wurden für akustische Oberflächenwellen vorgeschlagen; ihr Auflösungsvermögen ist mit dem Auflösungsvermögen von Wellenleiterkoeffizientenlinsen vergleichbar.

Bekanntlich ist die Größe eines Lichtflecks von der numerischen Apertur der fokussierenden Linse abhängig, wobei eine große numerische Apertur die Erzeugung von Punkten mit kleinen Durchmessern ermöglicht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es unmöglich ist, bei einfachen shpärischen Einbuchtungen oder Ausbuchtungen im Substrat eines Wellenleiters große Aperturen zu verwenden, da die Brennweite einer auf die Weise erzeugten Linse mit der Entfernung vom Mittelpunkt der Linse zunimmt. Wegen der bei dieser Art von Linsen auftretenden Aberrationen können auf diese Weise keine hochauflösenden Linsen erzeugt werden.

Der Wellenleiterkoeffizient eines Mode wird definiert durch die Phasengeschwindigkeit des Lichts in Vakuum dividiert durch die Phasengeschwindigkeit des sich in einenfOWellenleitermode fortpflanzenden Lichtes. Der Wellenleiterkoeffizient eines Wellenleiters hängt sowohl von den optischen Konstanten das Wellenleiters als auch von den optischen Konstanten des ihm umgebenden Materials ab. Der Wellenlängenkoeffizient ist weiterhin von der Dicke des Wöllenleitens abhängig und für die einzelnen Moden verschieden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in optischen Wellenleitern und in integrierten optischen Elementen und Vorrichtungen verwendbare hochauflösenden optische Wellenleiterlinse anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine optische Wellenleiterlinse mit hohen Auflösungsvermögen gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus der Kombination einer durch eine sphärische Ein- oder Ausbuchtung erzeugten Linse und einer ?7ellenleiterkoeffizientenlinse besteht.

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Bei der erfindungsgemäßen optischen Wellenleiterlinse werden die Aberrationen der Ein- oder Ausbuchtungslinse durch die Aberrationen der Wellenleiterkoeffizientenlinse kompensiert. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Schnittansicht eines optischen Wellenleiter

substrats mit einer sphärischen Einbuchtung;

Fig. 2 das in Fig. 1 dargestellte Substrat mit einem

einheitlichen, eine sphärische Einbuchtungslinse bildenden Wellenlexteruberzug;

Fig. 3 die in Fig. 2 dargestellte Anordnung mit einem

in Bereich der sphärischen Ausbuchtung angeordneten, die Kombination aus einer sphärischen Einbuchtungslinse und einer Wellenleiterkoeffizientenlinse bildenden zweiten überzug;

Fig. 5 die schematische Darstellung der Konvergenz ei

nes eine sphärische Einbuchtungslinse durchsetzenden Lichtstrahls;

Fig. 6 die schematische Darstellung des Verhältnisses

der Wellenleiterkoeffizienten für eine optimale Kompensation aufgetragen als Funktion des Winkels der sphärischen Einbuchtungslinse;

Fig. 7 die schematische, eine optimale Kombination ei

ner Einbuchtungslinse und einer Wellenleiterkoeffizientenlinse angebende Darstellung des Verhältnisses des Radius der sphärischen Ein-

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buchtungslinse und der Brennweite aufgetragen als Funktion des Winkels der sphärischen Einbuchtungslinse;

⁸ die schemtische Darstellung des Verlaufs der

Aberrationen einer einfachen sphärischen Einbuchtungslinse (a) und der Aberrationen der erfindungsgemäßen Linse (b).

In den Fign. 1 bis 5 wird eine eine sphärische Einbuchtungslinse bildende Einbuchtung 20 dargestellt, die die Oberfläche eines Wellenleiter-Substrats 10 in Form eines Kreises mit dem Radius R

c schneidet, wobei ein senkrechter Radius der Kugel und der das Ende der Einbuchtung 20 berührende Radius einen Winkel von Θ° einschließen. Wie insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich, ist der übergang der Einbuchtung 20 zur ebenen Oberfläche des Substrats abgeflacht, so daß scharfe Kanten zwischen der oberen Oberfläche des Substrats und der Fläche der Einbuchtung vermieden werden. Die Einbuchtung 20 kann beispielsweise durch Schleifen und anschließendes Polieren des Substrats erzeugt werden.

Auf dieses Substrat wird durch an sich bekannte Verfahren ein überzug 12, beispielsweise durch Aufsprühen Aufdampfen aufgebracht, der sowohl den ebenen Teil der Substratfläche als auch die Einbuchtung bedeckt. Der Brechungsindex des Überzuges 12 muß vom Brechungsindex des Substrats verschieden sein. Für verlustfreie Wellenleiter muß der Brechungsindex des Überzugs größer als der Brechungsindex des Substrats sein. Wie aus Fig. 3 ersichtlich .wird ein weiterer überzug 14, dessen Brechungsindex höher ist als der Brechungsindex des Überzugs 12, im Bereich der Einbuchtung aufgebracht um eine Wellenleiterkoeffizientenlinse zu erzeugen. Die Kanten dieses zweiten Überzugs sind angespitzt um einen glatten übergang zwischen den Oberflächen beider überzüge zu bilden. Es ist selbstverständlich auch möglich, den überzug 14 mit gleicher Wirkung unter dem überzug 12 anzubringen.

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Auch ist es nicht erforderlich, daß die Wellenleiterkoeffizientenlinse die gesamte Einbuchtung bedeckt; sie kann vielmehr je nach den besonderen Anforderungen verschiedene Formen aufweisen. Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung kann der zuerst aufgebrachte überzug 12, wie in Fig. 4 dargestellt, im Bereich der Einbuchtung 20 wesentlich dicker als im Bereich der ebenen Substratoberfläche gemacht werden. Der dickere Teil dieses Überzugs hat einen unterschiedlichen Wellenleiterkoeffizienten und bildet somit die Kombination einer Wellenleiterkoeffizientenlinse und einer Einbuchtungslinse.

Innerhalb der Einbuchtung 20 ist der Wellenleiterkoeffizient η und außerhalb dieser Einbuchtung n¹. In Fig. 6 ist das Verhältnis n/n¹ für eine optimale Kompensation als Funktion über den Winkel Θ° aufgetragen, während in Fig. 10 das Verhältnis des .Radius ses R der Oberfläche der Einbuchtung zur Brennweite als Funktion des Winkels R aufgetragen ist.

Eine durch eine sphärische Ausbuchtung gebildete Linse stellt ein vollständiges Equivalent einer durch eine sphärische Einbuchtung gebildeten Linse dar. Zur Vereinfachung der weiteren Darstellungen werden im folgenden unter sphärischer Einbuchtungslinse Linsen verstanden,- die sowohl durch sphärische Einbuchtungen als auch durch sphärische Ausbuchtungen gebildet werden.

Der Aufbau eines besonders vorteilhaften Ausführungsbeispieles der Erfindung wird durch folgende Tabelle veranschaulicht:

Element Material ungefährer Index

Substrat 10

Wellenleiterschicht 12 Linse 14

geschmolzener Quarz	1/	46
Corning-Glas 7059	1,	57
Zinksulfid (ZnS) oder	2,	2
Tantaloxid (Ta₃O )

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In Fig. 8 wird durch die Kurve (a) dargestellt, wie beispielsweise für f = 2R das Verhältnis der Brennweite einer einfachen

Einbuchtung zum Radius der Oberfläche der Einbuchtung gleichzeitig mit dem Verhältnis der Breite des einfallenden Strahles zum Radius der Oberfläche der Einbuchtung wächst. Die Änderung der Brennweite hat einen verschmierten Punkt zur Folge. Die Kurve (b) in Fig. 8 zeigt, wieder mit f = 2R , wie das Verhältnis der Brennweite zum Radius der Oberfläche der Einbuchtung im Falle der erfindungsgemäßen Kombinationslinse im wesentlichen konstant bleibt, wenn das Verhältnis Strahldurchmesser und Radius der Oberfläche der Einbuchtung wächst. Bei einer Einbuchtung mit einem Radius R = 1 cm mit einer Brennweite von 2 cm wird ein Winkel Θ gleich 41,41° für die einfache Einbuchtungslinse nötig. Bei der erfindungsgemäßen Kombinationslinse wird bei gleichem Radius R die Brennweite einen Winkel 0 gleich 32,8° aufweisen und das Verhältnis n/n¹ gleich 1,1205 sein. Die Aperturen der beiden Linsen, die die kleinste Punktgröße bei einer Wellenlänge von 8500 8 und n¹ = 1,5 ergeben, wird in der Fig. 8 durch die Pfeile a¹ und b¹ für die Kurven (a) und (b) angedeutet. Daraus ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Kombinationslinse, wie sie durch die Kurve b dargestellt wird, eine wesentlich größere verwertbare Apertur als die einfache, in Fig. 8 durch die Kurve a dargestellte Einbuchtungslinse aufweist. Ein anderer Vorteil der erfindungsgemäßen Kombinationslinse besteht darin, daß die erforderliche Änderung des Wellenleiterkoeffizienten sehr klein ist, was zur Folge hat, daß das Problem der Moden-Konversion wesentlich vereinfacht wird.

Die Leistungen einer einfachen Einbuchtungslinse, einer Wellenleiterkoeffizientenlinse und einer optimalen Kombination beider Linsen, die jeweils eine Brennweite f = 2 cm und einen Radius R_ = 1 cm haben, können anhand der untenstehenden Tabelle miteinander verglichen werden. Die Daten für jedes einzelne Element der Kombination sind aus den unteren Teil der Tabelle 1 zu entnehmen. Aus dem Vergleich geht die durch die erfindungsgemäße

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Komb!nationslinse erzielte Verbesserung gegenüber einer einfachen Einbuchtungslinse hervor.

TABELLE 1

n/n

0 f(cm)

Optimale Breite Kleinste des einfallen- Punktden Strahls größe 2x (cm) (ν.)

Einbuchtungs- 1 41,41 2 linse

0,28

Wellenleiterkoeffizien
tenlinse 1,335 0 2

Kombination 1,1205 32,80 2

0,26 0,8

2,9

Element 1

Einbuchtungs linse

32,8" 3,14

0,30

12,1 μ

Element 2
Wellenleiterkoeffizien
tenlinse 1,2505 0

4,15

0,31

16,8 y

Aus dieser Darstellung ergibt sich, daß die Kombinationslinse gemäß der vorliegengenden Erfindung für optische Wellenleiter eine wesentlich höhere Auflösung hat als jede der vorherbeschriebenen Einbuchtungslinsen oder Wellenleiterkoeffizientenlinsen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

λ7) Optische Wellenleiterlinse hoher Auflösung, dadurch gekennzeichnet _r daß sie aus der Kombination einer durch eine sphärische Einbuchtung gebildeten Einbuchtungslinse und einer Wellenleiterkoeffizientenlinse besteht.
2. Optische Wellenleiterlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus der Kombination einer Einbuchtung in einem Wellenleiter und einem diesen Bereich bedeckenden überzug aus einem einen höheren Brechungsindex aufweisenden Material besteht.
3. Optische Wellenleiterlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch eine sphärische Einbuchtung in einen Wellenleiter gebildet wird, wobei der Wellenleiterkoeffizient im Bereich der Einbuchtung größer als außerhalb der Einbuchtung ist.
4. Optische Wellenleiterlinse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschiede der Wellenleiterkoeffizienten durch unterschiedliche Dicken des Wellenleiters im Bereich der Einbuchtung und außerhalb der Einbuchtung erzeugt werden.
5. Optische Wellenleiterlinse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Wellenleiters im Bereich der Ausbuchtung größer als die Dicke des Wellenleiters außerhalb der Einbuchtung ist.
6. Optische Wellenleiterlinse nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Substrat (10) mit einen gegebenen Brechungsindex und einer sphärischen Einbuchtung (20), einen Substrat und Einbuchtung bedeckenden, als Wellenleiter (12) dienenden überzug mit einem

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höheren Brechungsindex als der Brechungsindex des Substrats und einen über der Einbuchtungslinse liegenden Überzug mit einem Brechungsindex, der größer als die Brechungsindexe der vorhergehenden Schichten ist, derart, daß die durch diese Kombination gebildete sphärische Einbuchtungs- und Wellenleiterkoeffizientenlinse die Aberrationen der einzelnen Linsen kompensiert.

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