DE2443511A1

DE2443511A1 - Schmalbandiger reflexionspolarisator

Info

Publication number: DE2443511A1
Application number: DE2443511A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Phys Dr Mahlein; Gerhard Dipl Ing Dr Winzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-11
Filing date: 1974-09-11
Publication date: 1976-03-25
Also published as: US4089582A

Description

AKTIENGESELLSCHAFT München,11.9.1974

Berlin und München . Wittelsbacherplatz 2

VPA 74/7169

Schmalbandiger Reflexionspolarisator

Die Erfindung betrifft einen schmalbandi'gen Reflexionspolarisator aus dielektrischen Vielfachschichten für unpolarisierte unter dem Winkel θ₀ aus einem Medium mit dem Brechungsindex n. mit einer Wellenlänge ~X -, einfallende elektromagnetische Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich, bestehend aus einem Substrat mit dem Brechungsindex η und mindestens zwei aufgedampften Schichten aus abwechselnd hochbrechendem (n_H) und niedrigbrechendem (n_L) Material, wobei alle hoch- und niedrigbrechenden Schichten die gleiche effektive optische Schichtdicke aufweisen, die gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von ^₁/4 sind, für die Brechungsindexstrukturen n_s (n^, n₂) n_Q oder n_Q (n^ . n₂) n^ n_Q mit n_Q = n_A und n^, n₂ = Brechungsindizes der ersten bzw. der zweiten an das Medium anschließenden SchichtenjWobei die reflektierte Strahlung parallel oder senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist.

Im Hauptpatent . . , (P 2 252 826, VPA 72/7136) ist

ein Reflexionspolarisator beschrieben, bei dem aus einer unpolarisierten einfallenden Strahlung nicht nur die parallele^ sondern auch wahlweise die senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Komponente schmalbandig unterdrückt wird.

VPA 9 / 710/4084b
WR/Hth

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Dort ist das obengenannte Vielfachschichtsystem in allgemeiner Form für Reflexionspolarisatoren beschrieben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Reflexions·^ polarisatoren in integriert-optische Vtellenleiterstrukturen einzubauen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Vielfachschichtsystem mit einer auf einem Substrat angeordneten Wellenleiterschicht verbunden ist, derart, daß die in der Wellenleiterschicht geführten Lichtstrahlen in das (die) Vielfachschichtsystem(e) eingekpppelt und nach Durchlaufen des Vielfachschichtsysteras mindestens ein Teil der Lichtstrahlen in die Wellenleiterschicht zurückgekoppelt v/erden.

Alle im Hauptpatent * ·. (P 2 252 826) angeführten

Besiehungen lassen sich beim Einbau des Vielfachschichtsystems in die integriert-optischen Strukturen übernehmen.

Ist das Vielfachschichtsystem insbesondere direkt auf der Wellenleiterschicht angeordnet, so muß der effektive Brechungsindex der in der ¥ellenleiterschicht geführten Moden kleiner als ru und n₂ sein, damit das in der Wellenleiterschicht herangeführte unpolarisierte Licht durch Leckwellenleitung in das Vielfachschichtsystem eingekoppelt wird. Hier wird je nach dessen Aufbau wahlweise die parallel oder senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Komponente des Lichtes durch Reflexionen in die Wellenleiterschicht zurück.und hier weitergeführt,während die entgegengesetzte Komponente vorteilhafterweise in einen an das Vielfachschichtsystem angrenzenden Absorber oder Glasquader mit streuendeaOberflächen oder mit das Licht nach außen brechenden Oberflächen gelangt. Dadurch wird sichergestellt, d3ß die den Absorber oder den Glasquader durchlaufenden uner-Viünschten Komponenten des Lichtes nicht über das Vielfachschichtsystem in die Wellenleiterschicht zurückgelangen.

VPA 9 / 710/408/4b -3-

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Ein alternativer integriert-optischer Aufbau des schrnalbandigen Reflexionspolarisators wird insbesondere dadurch gewonnen, daß auf eier Wellenleiterschicht ein symmetrisches Prisma mit einer zur Wellenleiterschicht parallelen Basisfläche und daß mindestens auf der einen Seitenfläche des Prismas ein Vielfachschichtsystem angeordnet ist. Das Prisma wirkt sowohl als Aus- als auch als Einkoppelelement, wenn das Prisma symmetrisch ist, so daß der Einkoppelwinkel gleich dem Auskoppelwinkel ist.

Ein Aufbau mit je einem Vielfachschichtsystem auf beiden Seitenflächen de8 Prismas ergibt eine höhere Effizienz der Polarisations- und der spektralselektiven Wirkung.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Prismas ergibt sich wenn seine Flächeiiwinkel so gewählt werden-, daß das auf eine mit dem Vielfachschichtsystem versehene Seitenfläche auftreffende Licht in sich reflektiert wird und in der wellenleitenden Schicht entgegen der ankommenden Richtung zurückgeführt wird.

Ein weiterer integriert optischer Aufbau des schmalbandigen Reflektionspolarisators, bei welchem das Koppelprisma eingespart und auf besondere Brechungsindexunterschiede zwischen der Wellenleiterschicht und der ersten an diese angrenzende Schicht des Vielfachschichtsystems keine Rücksicht genommen werden braucht, besteht insbesondere daran, daß zwischen dem Substrat und dem Vielfachschichtsystem ein Beugungsgitter angeordnet ist. Auf dieses kann direkt das Vielfachschichtsystem aufgebracht werden. Hier wird das in der Wellenleiterschicht ankommende Licht an jedem Ort des Gitters in das Vielfachschichtsystem und aus diesem in die Wellenleiterschicht surückgekoppelt. Da das Licht in der unter dem Gitter vorliegenden Strecke der Wellenleiterschicht mehrmals vom Vielfachschichtsystem beeinflußt wird, wirkt dieser Reflexionspolarisator mehrmals auf die Lichtwellen ein.

In allen obengenannten Aufbauten wird allerdings ein Bruchteil eines in der Wellenleiter schicht herangeführten Lichtes ohne Einkopplung in das Vielfachscbichtsystem in der Wellenleiterschicht unbeeinflußt weitergeführt.

•7,-... Q / /,u^Abt^ BAD ORIGINAL ~^Ll~

Um dies zu vermeiden,wird die Wellenleiterschicht mit einem darüber- angeordneten Bragg-Gitter vorteilhafterv/eise durch eine Trennschicht unterbrochen. Damit Lichtanteile nach ihrer Reflexion am Vielfachschichtsystem nicht auf diese Trennschicht gelangen und so verloren gehen, ist zwischen dem Bragg-Gitter und dem Vielfachschichtsystem ein Abstandsstück angeordnet.

Wählt man als Material dieses Abstandsstü'ckes einen Modulatorkristall, dann lassen sich die diesen Kristall durchlaufenden Lichtwellen obendrein noch modulieren.

Bei allen genannten Varianten der Erfindung ist das in der Wellenleiterschicht weitergeführte Licht nicht nur polarisier^ sondern auch spektralseiektiv gefiltert.

Die Erfindung wird anhand von Auführungsbeispielen in der Figurenbeschreibung näher erläutert.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen schematisch Schnitte durch integriert-optische Strukturen von schmalbandigen Reflexionspolarisatoren.

In der Figur 1 ist auf einem Substrat aus Glas eine dielektrische Wellenleiterschicht 2 mit einem Brechungsindex n. aufgebracht. Eine von links herangeführte Lichtwelle wird in ein Vielfachschicht syst em J3 durch Leckwellenleitung ein-· gekoppelt. Die Brechungsindiises der Vielfachschicht sind größer als die effektiven Brechungsindises der im Wellenleiter geführten Moden. Das Vielfachschichtsystem 3 besitzt einen solchen Aufbau, daß das in diesem verlaufende. Licht zum Teil in die Wellenleiterschicht 2 zurückgekoppelt, zum Teil in den Absorber 5 aus einem hoch absorbierenden Glas gelangt. Die an die äußeren mattierten Oberflächen des Absorbers 5 gelangenden Strahlanteile werden hier nach außen gestreut oder gebrochen. Der in die Weilenleitersehicht 2 zurückgekoppelte und dort weitergeführte Lichtanteil ist polarisiert und spektralselektiv gefiltert.

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In der Figur 2 ist auf dem Substrat 1 die Wellenleiterschicht 2 angeordnet und auf dieser ein symmetrisches Prisma 6 mit solchen Flächenwinkeln angeordnet, daß der eingezeichnete Strahlenverlauf entsteht. Auf den Seitenflächen des Prismas ist je ein Vielfachschichtsystem 8 und 9 angeordnet. Wenn beide den gleichen Aufbau besitzen, wird der in sie hineingebrochene Lichtstrahl im gleichen Sinne , also effektiver als mit nur einem Vielfachschichtsystem beeinflußt. Das in der Wellenleiterschicht 2 zurückgekoppelte Licht wird nach rechts v/eitergeführt.

In der Figur 3 ist auf das Substrat 1 wieder die Wellenleiterschicht 2 und auf dieser entlang einer vorgegebenen Strecke ein Beugungsgitter 10 angeordnet. Dieses bev/irkt für einen unter dem Beugungsgitter 10 in der Wellenleitersch5.cht 2 verlaufenden Lichtstrahl eine Einkopplung in das über dem Beugungsgitter 10 angeordneten Vielfachschichtsystem 11 und nach der Reflexion des Lichtstrahls in diesem Vielfechschichtsystem eine Rückkopplung in die Wellenleiterschicht 2. Je langer die Fläche ist, welche von dem Beugungsgitter und dem darüber liegenden Vielfachschichtsystem überdeckt wird, desto öfter wird das unter dem Beugungsgitter verlaufende Licht in das Vielfachschichtsystem übergekoppelt und desto vollständiger wird die Beeinflussung des Lichtes durch das Vielfachschichtsystem.

In der Figur 4 ist auf 4em Substrat. 1 eine durch eine Trennschicht 12 unterbrochene Wellenleiterschicht 13 angeordnet. Auf dieser ist ein z.B. holografisch in einem Fotolack erzeugtes Bragg-Gitter 14 aufgebracht, welches durch die gleiche Trennschicht 12 unterbrochen ist. Auf diesem Bragg-Gitter ist ein Abstandsstück 15 aus einem Modulatorkristall angeordnet, auf welchem das Vielfachschichtsystem 16 aufgebracht ist. Das in der Wellenleiterschicht von links herangeführte Licht wird über das Bragg-Gitter in das Abstandsstück 15 eingekoppelt und anschließend im Vielfachschi ent syst era 16 beeinflußt. Der erwünschte Strahlenanteil durchläuft das Abstandsstück und wird hier durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 17 und 18 moduliert. Durch das rechts gezeichnete Bragg-Gitter 14 wird dieser Strahlenanteil in den

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rechts dargestellten Teil des Wellenleiters 13 eingekoppelt und in diesem nach rechts weitergeführt. Zur Erzielung hoher Aus- und Einkoppelwirkungsgrade sind die Gitterebenen des Brsgg-Gitters so geneigt, da 13 die Bragg-Bedingungen und. die Pnssenanpassbedingangen optimal erfüllt v/erden. Der unerwünschte StrafeXanteil wird gemäß dem Pfeil 19 nach Außen abgestrahlt.

Anstelle der Bragg-Gitter können auch einfachere Phasenoder Amplitudengitter verwendet werden.

Das Yielfachschichtsystem 16 bewirkt hier wie in allen anderen Varianten der Erfindung in Abhängigkeit von einem speziellen Aufbau eine frequenzselektiv© Filterimg, eine Polarisationsfilterung, eine Strahlteiling oder vollständige baw« teilweise Reflexion.

6 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

r?

P a t e η t a nsprüche

f1 J Schmalbandiger Reflexionspolarisator aus dielektrischen Vielfachschichten für unpolarisierte unter dem Winkel Θ_ο aus einem Medium mit dem Brechungsindex n^ mit einer Wellenlänge } -, einfallende elektromagnetische Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infrarotem SpektraI-bereich, bestehend aus einem Substrat mit dem Brechungsindex n_ und mindestens zwei aufgedampften Schichten aus abwechselnd hochbrechendem (n^) und niedrigbrechendem (nj) Material, wobei alle hoch- und niedrigbrechenäan Schichten die gleiche effektive optische Schichtdicke aufweisen, die gleich einem ungeraden ganzsshligen Vielfachen von 3 1/4 sind, für die Brechungsindexstruktur· n₂) ^k n₀ oder n_g Cn₁, n₂) ^k ^n₀ mit O₀ ~ n

n_g (Ei₁, n₂) n₀ oder n_g Cn₁, n₂) ^n₀ mit O₀ n_A und n,,, lip = Brechungsindizes der ersten bzw. zweiten an das Medium, anschließenden Schichten, wobei die reflektierte Strahlung parallel oder senkrecht zur Einfslls-

ebene polarisiert ist nach Patent; _c ,.. (P 2 252 826,

VPA 72/713o) dadurch ^gkgnn^eäjAnxrbfdaß mindestens ein Vielfachsohichtsystem mit einer auf einem Substrat angeordneten Wellenleiterschicht verbunden ist derart, daß das in der Wellenleiterschicht geführte Licht in das (die) Vielfachschichtsystem(e) eingekoppelt und nach Durchlaufen des Vielfachschichtsystems anschließend mindestens ein Teil des Lichtes in die Wellenleiterschicht zur-ückgekoppelt wird.

2. Schmalbandiger Reflexionspolarisator nach Anspruch 1, dadurch ßgkemi^ichnet, daß auf der Wellenleiterschicht ein Vielfachschichtsystem und auf diesem ein Absorber oder ein Glasquader mit streuenden Oberflächen oder mit das Licht nach außen brechenden Oberflächen.angeordnet istjwobei die Brechungsindizes der Viclfachschicht größer sind als die effektiven Brechungsindizes der zu beeinflußenden Moden des Wellenleiters.

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■Β··

Schmalbandiger Reflexionspolarisator nach Anspruch 1, dadurch ffekenngeichnet, daß auf der Wellenleiterschicht ein symmetrisches Prisma mit einer zur Wellenleiterschicht parallelen Basisfläche und daß mindestens auf der einen Seitenfläche des Prismas ein Vielfachschichtsystem angeordnet ist.

4. Schmalbandiger Reflexionspolarisator nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat und dem Yielfachschichtsystem ein Beugungsgitter angeordnet ist.

5. Schmalbandiger Reflexionspolarisator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterschient und das Beugungsgitter durch eine Trennschicht unterbrochen sind und daß zwischen dem Beugungsgitter und dem Yielfachschichtsystem ein Abstandsstück angeordnet ist«

6« Schmalbandiger Reflexionspolarisator nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichn.et, daß das Abstandsstück ein Modulatorkristall ist.

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