DE2453524A1

DE2453524A1 - Koppeleinrichtung

Info

Publication number: DE2453524A1
Application number: DE19742453524
Authority: DE
Inventors: Gerald Smolinsky; Ping King Tien
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-11-15
Filing date: 1974-11-12
Publication date: 1975-05-22
Also published as: GB1486637A; FR2251832B1; SE386986B; IT1024803B; JPS5081349A; BE822115A; SE7413990L; FR2251832A1; NL7414676A; US3864019A; CA997011A

Description

BLUMBACH ■ WES£F< ■ BER3EN ά KRAMER

PATENTANWÄLTE IN¹ WlFSBADKM UND MÜNCHEN D1PL.-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. DR. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER WIESBADEN . SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN

WESTERN ELECTRIC COMPANY Smolinsky 5-37

Incorporated

New York, N. Y., USA

Koppeleinrichtung

Koppeleinrichtung zum Übertragen einer optischen, elektromagnetischen Strahlungswelle zwischen einem als Dännschicht und einem als Faser ausgeführten optischen Wellenleiter.

Seit der erste Laser vor mehr als zehn Jahren erfolgreich in Betrieb genommen wurde, ist beständig vorgeschlagen worden, in Nachrichtenübertragungsanlagen Laserstrahlenbündel als Trägerwelle zu verwenden. Der Hauptvorzug einer optischen Nachrichtenübertragungsanlage besteht in dem großen Frequenzbereich und folglich der großen Bandbreite, die für die Informationsübertragung zur Verfugung steht. Trägerwellen im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums (der gemeinschaftlich den ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereich desselben einschließt), haben wenigstens theoretisch

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eine Informationsträgerkapazität, die um einige Größenordnungen höher als die von konventionellen Trägern niedriger Frequenz (z.B. Mikrowellenträger) ist. Weil außerdem die Wellenlänge der optischen Welle die Größenordnung von einem Mikrometer oder v/eniger (diese Größenordnung ist etwa 10 000 mal kleiner als die der Mikrowelle) hat, konnten miniaturisierte und natürlich kompakte Bauteile und Vorrichtungen verwendet werden, um optische Nachrichtenübertragungsanlagen zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe sowohl über lange als auch kurze Entfernungen wirtschaftlich übertragen werden kann.

t Ähnlich wie bei konventionellen Anlagen, die mit einer niedrigeren Frequenz arbeiten, sind auch bei optischen Nachrichtungsübertragungsanlagen Einrichtungen erforderlich, um optische Informationssignale über die gewünschten Übertragungsleitungen zu übertragen, und ferner Einrichtungen zum Verarbeiten der Signale in Endstellen und Zwischenverstärker stellen. Es gibt derzeit Hinweise darauf, daß Miniaturfaserwellenleiter verwendet werden, um optische Signale zwischen Verstärker- und Endstellen zu übertragen, während in den Verstärker- und Endstellen miniaturisierte, integrierte optische Schaltungen in Form von Dünnschichtwellenleitern verwendet werden, um die

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Signale zu verarbeiten. Es ist also eine Einrichtung erforderlich, um die geführten optischen Informationssignale effizient von einem Wellenleitertyp zum anderen übertragen oder koppeln zu können.

Wie Fachleute wissen, ist ein optischer Faserwellenleiter ein Wellenleiter mit einem langestreckten, fadenähnlichen Körper aus dielektrischen Material, der wenigstens zum Teil einen Brechungsindex aufweist, der größer als der des ihn unmittelbar umgebenden Mediums, so daß eine in der Faser übertragene optische Welle dadurch wirksam beschränkt bzw. eingefangen wird. Die Faser kann einen Innenkern aus einem dielektrischen Material aufweisen, der von einem Außenmantel aus einem anderen dielektrischen Material mit einem Brechungsindex umgeben ist, der kleiner als der des Kernes ist. Alternativ dazu kann die Faser aus einem einzelnen dielektrischen Material mit einem konstanten Brechungsindex hergestellt werden, der größer als der Brechungsindex seiner Umgebung (z. B. Luft) ist, oder sie kann aus einem einzelnen dielektrischen Material mit einem Brechungsindex gebildet werden, der längs einer Innenachse maximal ist und von dieser Achse weg progressiv abnimmt. Ein optischer Dünnsehichtwellenleiter ist ein Wellenleiter mit einem Körper in Form einer Schicht aus dielektri-

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schem Material, die auf einer oberen Oberfläche eines dielektrischen Substrates mit einem Brechungsindex, der kleiner als der der Schicht ist, angeordnet ist. Die Dicke der Schicht ist im allgemeinen von der Größenordnung der Wellenlänge der in der Schicht zu übertragenden Welle, so daß die Welle innerhalb der bezeichneten Abmessung durch die an den Schichtoberflächen auftretenden Diskontinuitäten wirksam eingefangen wird.

Obwohl es Einrichtungen gibt, um optische Wellen in Dünnschichtwellenleiter ein- und aus diesen auszukoppeln (z. B. Koppeleinrichtungen in Form von Prismen und in Form optischer Gitter) und in Faserwellenleiter ein- und aus diesen auszukoppeln (z.B. Koppeleinrichtungen in Form mikroskopischer Linsen), werden derzeit Einrichtungen zum Ankoppeln von Dünnschichtwellenleitern an Faserwellenleiter und umgekehrt benötigt, die nicht nur effizient arbeiten, sondern auch relativ einfach aufgebaut, leicht herzustellen, widerstandsfähig und im Gebrauch zuverlässig sind, und die außerdem mit den vorgeschlagenen integrierten und optischen Fasersystemen vereinbar sind.

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, Einrichtungen mit den vorbezeichneten Merkmalen zur Verfügung zu stellen.

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Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von einer Koppeleinrichtung der eingangs genannten Art aus und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf einem Substrat mit niedrigerem Brechungsindex angeordnet ist und einen Endbereich aufweist, der längs des Wege, längs dessen die Welle in dem Endbereich geführt werden soll, allmählich bis hin zu einem Grenzpunkt, an dem die Schicht die Welle nicht mehr führen kann, dünner wird, wobei die Welle in sich verjüngenden Endbereich aus der Schicht aus- und längs eines Weges in das Substrat eintritt, und daß das Substrat einen Bereich aufweist, der als Hohlraum definiert ist, welch letzterer die über einen vorgesehenen Weg im Substrat übertragene Welle aufnimmt und in den die Faser mit einem Teil ihrer Länge eingefügt ist.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels zum Einkoppeln einer geführten optischen Welle aus einem Dühnschichtwellenleiter in einen Faserwellenleiter;

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Fig. 2 eine Schnittansicht einer sich verjüngenden Dünnschichtstruktur, anhand derer die erfindungsgemäße Wirkungsweise erläutert werden soll;

Fig. 3A u. 3B Schnittansichten eines erfindungsgemäß verwendeten Verbindungsbereiches, um Fasern großen Durchmessers mit Fasern kleinen Durchmessers optisch zu verbinden, und

Fig. 4 eine Schnittansicht eines modifizierten

erf indungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem ummantelte optische Fasern mit Innenkernen von relativ kleinem Durchmesser angekoppelt werden können.

Die dünne dielektrische Schicht in einem optischen Dünnschichtwellenleiter weist erfindungsgemäß einen Endbereich auf, der längs des Weges der in der Schicht geführten Welle bis zu einem Wellengrenzwert allmählich und gleichmäßig dünner wird. Diese Verjüngung bedeutet eine im wesentlichen gleichmäßige Abnahme der relativen Übertragungskonstanten der Schicht bis hin zu einem Punkt, in dem die Schicht die darin übertragene Welle nicht länger als einen geführten Mode weiter überträgt, woraufhin

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die die Welle aus der Schicht aus- und unter einem kleinen Winkel bezüglich der Grenzfläche Schicht-Substrat in das Substrat eintritt. Die aus der Schicht austretende Welle kann in der folgenden Weise vollkommen eingekoppelt werden. Iii dem Substrat befindet sich etwas unterhalb der Grenzfläche Schicht-Substrat ein Hohlraum, dessen Querschnittform und Querschnittsabmessungen so eingerichtet sind, daß er ein Ende eines Faserwellenleiters aufnehmen kann. Durch passende Auswahl der Orientierung und der Lage des Resonators im Substrat und der Faser Hohlraum kann die Faser die aus der Schicht ausgekoppelte Welle auffangen bzw. aufnehmen. Um sicherzustellen, daß die Welle wirksam in die Faser eingekoppelt wird, ist der Hohlraum (cavity) mit einem halbkugelförmigen Ende versehen und einem transparenten Kleber oder anderen Material gefüllt, dessen Brechungsindex den des Substrates übersteigt. Dadurch wird in der Struktur eine halbkugelförmige Linse gebildet, die die Welle fokusiert und in die Faser hinein richtet. Es ist also möglich, die geführte Welle wirksam aus der Dünnschicht in die Faser oder aus der Faser in die Dünnschicht einzukoppeln.

Die hauptsächlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung bestehen in erster Linie darin, daß ihre Ge-.

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samtstruktur einfach ist. Anders als bei verschiedenen anderen Kopplungseinrichtungen sind keine sperrigen Prismen oder Linsen und präzise optischer Gitter erforderlich. Natürlich kann die Dünnschicht der Kopplungseinrichtung mit Hilfe konventioneller Schichtherstellungsverfahren in der gewünschten Weise verjüngt werden. Der gewünschte Hohlraum im Substrat kann durch einfaches mechanisches Bohren hergestellt werden. Wenn die optimale Position der Faser im Hohlraum einmal ausgewählt ist, kann die Faser an Ort und Stelle verklebt werden, wodurch eine integrierte Schicht-/Faserstruktur entsteht, die bei Gebrauch sowohl widerstandsfähig als auch stabil ist. Wegen dieser und anderer Merkmale und Vorteile der Koppelanordnung ist diese ideal geeignet, in optischen Nachrichtenübertragungsanlagen und in. anderen Anwendungsfällen, die mit geführten optischen Wellen in Verbindung stehen, verwendet zu werden.

Bei dem in der Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel soll die optische Welle 14, die einfach als Mittellinie der Wellenübertragung dargestellt ist, aus einer dielektrischen Dünnschicht 11 aus- und in die Faser 16 eingekoppelt werden. Speziell auf der linken Seite der Struktur, die die Fig. 1 zeigt, ist ein optischer Dünnschichtwellenleiter mit einer transparenten

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dielektrischen Dünnschicht 11 auf einem transparenten Substrat 12 abgebildet. Der Brechungsindex des Substrates 12 ist kleiner als der der Schicht 11. Wie die Figur zeigt, ist die Schicht 11 mit Ausnahme eines Endbereiches zwischen den Punkten X

und X, längs des größten Teiles ihrer Längenerstreckung im wesentlichen gleichmäßig dick und zwar in der Größenordnung der Wellenlänge der geführten optischen Welle 14 im freien Raum oder Vakuum. Beginnend im Punkte X wird die Schicht 11 allmählich und gleichmäßig dünner und erreicht im Punkte XL die Dicke null. Die Verjüngung der Schicht 11 ist zwischen

den Punkten X und X, beispielsweise linear und erstreckt sich ab

über eine Schichtlänge, die im wesentlichen größer als der Betrag der Wellenlänge der optischen Welle 14 im freien Raum ist (d.h. größer als etwa 10 mal die Wellenlänge). Wegen dieser Verjüngung fällt die relative Ubertragungskcnstante der Schicht 11 im wesentlichen gleichmäßig bis zu einem Hnkt, der in der Figur als Punkt X bezeichnet ist, ab, in dem die

Schicht die optische Welle 14 nicht länger als geführten Mode weiter überträgt, woraufhin die Welle aus der Schicht austritt und bezügljch er Schicht-/Substratgrenzflache unter einem Winkeln in das Substrat 12 eintritt. In dem Substrat 12 b,efindet sich ein langestreckter Hohlraum 15, dessen Querschnittform und Quer Schnittabmessungen darauf abgestimmt

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sind, ein Ende eines optischen Faserwellenleiters 16 aufzunehmen. Der Faserwellenleiter 16 kann beispielsweise eine nicht ummantelte, zylindrische Faser sein. Der Hohlraum ist zylindrisch und von einem Innendurchmesser, der etwas größer als der Außendurchmesser der Faser ist, damit ein Ende der Faser in den Hohlraum eingefügt werden kann. Der Hohlraumdurchmesser kann den Außendurchmesser der Faser um einen Betrag übersteigen, der notwendig ist, um ein leichtes Einsetzen der Faser in den Hohlraum sicherzustellen. Die gewünschte Kopplung entsteht, weil die optische Welle 14 im Substrat 12 von der Faser 16 im Hohlraum 15 aufgefangen wird. Um sicherzustellen, daß die Welle 14 wirksam in die Faser 16 eingekoppelt wird, ist der Hohlraum 15 beispielsweise mit einem halbkugelförmigen Ende versehen und mit einem transparenten Füllmaterial 18 gefüllt, dessen Brechungsindex größer als der des Substrates 12 ist. Dadurch wird am Ende der Faser 16 eine halbkugelförmige Linse gebildet, die die optische Welle 14 fokusiert und in die Faser hineinrichtet.

Weitere als Beispiel dienende Einzelheiten, die mit dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in Zusammenhang gebracht werden können, sind uiken angeführt. Was die Be-

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Schreibung angeht, so soll besonders erwähnt werden, daß die verschiedenen Elemente der Fig. 1 nicht notwendigerweise maßstäblich oder in einem Bezugsmaß wiedergegeben sind.

Die optische Welle 14 ist beispielsweise ein von einer konventionellen Helium-Neonlaserquelle (nicht dargestellt) gelieferte und nach einem erwünschten Kopplungsverfahren, ausgeführt etwa mit Hilfe einer Prisma-Schichtkoppeleinrichtung oder dergl., in die Dünnschicht 11 eingekoppeltes Strahlenbündel einer Wellenlänge von 0, 6328 ^ (IA = 10~ Zentimeter). Das Material der Schicht 11 ist ein aus Vinyltrimethylsikan gebildetes Glimmentladungspolymere und das des Substrates 12 aus Polymethylmethacrylat. Diese Materialien weisen bei der Wellenlänge von 0, 6328 A Brechungsindices von etwa 1, 53 bzw. 1,49 auf. Die Anfangs etwa 4000 R dicke Schicht 11 führt nur einen Wellenleitermode von H-Typ der optischen Welle 14. Das Verjüngungsgefälle in der Schicht 11 beträgt zwischen den Bnkten X und K beispielsweise etwa 0, 01 (d.h. der Abstand zwischen X und X beträgt etwa 10 optische Wellenlängen). Der Faserwellenleifer 16 ist eine nicht ummantelte, zylindrisch geformte Glasfaser mit einem Durchmesser von etwa 0, 5 mm und einem konstanten Brechungsindex gleich etwa 1, 52 oder rd. 2% groß fr als der des Substrates 12. Der Hohlraum (cavity) 15

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hat einen Innendurchmesser von rd. 0, 62 mm, ist beispielsweise etwa 0,2 mm unterhalb der oberen Oberfläche des Substrates 12 gelegen und weist eine Gesamtlänge von ca. 2 mm auf. Das Ende der Faser 16 liegt beispielsweise ca. 2 mm vom End- bzw. Austrittspunkt X weg. Der Hohlraum 15 ist

mit einem transparenten Füllmaterial 18, etwa einem monomeren Cyclohexylmethacrylat, gefüllt, das, wenn es durch Photopolymerisation polymerisiert wird, einen Brechungsindex hat, der etwa 1% größer ist als der Brechungsindex des Substrates 12. Die Faser 16 wird durch die Fotopolymerisation des Cyclohexylmethacrylat-Füllmaterials im Hohlraum 15 gut am Substrat 12 befestigt.

Vorbereitete Experimente mit dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, ausgeführt mit den oben spezifizierten Materialien und Parametern, ergaben ausgehend von der Schicht 11 bis hin zur Faser 16 einen Kopplungswirkungsgrad von über 60%. Außerdem sind Verbesserungen des Kopplungswirkungsgrades zu erwarten, wenn man die Kopplungseinrichtung weiter vervollkommnet.

Fachleute werden erkennen, daß der sich verjüngende Endbereieh der Schicht 11 natürlich hergestellt werden kann, während

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das Schichtmaterial auf dem Substrat 12 niedergeschlagen wird. Wenn z.B. als Schichtmaterial polymere Verbindungen wie etwa die Vinyltrimethylsilanpolymeren verwendet werden, kann die Schicht nach dem in Band 119 des "Journal of the Electrochemical.Society", Seite 451 (1972) und in Band 11 von Applied Optics, Seite 637 (1972) ausführlich beschriebenen Verfahren der HF- Entladungsplasmapolymerisation hergestellt werden. Der Verjüngungsrand der Schicht entsteht längs eines Diskontinuitätsbereiches in Bezug auf die Höhe der Substratoberfläche und wird gebildet, in dem man während des Niederschlages des Schichtmaterials eine mechanische Maske ausgewählter Dicke (z.B. eine einfache rechtwinklige Metallplatte) in die passende Position auf dem Substrat bringt (wobei z. B. ihre Kante X, in die Figurenebene hineinreicht). Die so hergestellte Verjüngung ist längs des Verjüngungsweges ungefähr linear und erstreckt sich über eine Distanz bis hin zu einigen Millimetern, die der Maskendicke annähernd proportional ist. Der Verjüngungsweg der Schicht kann relativ lang gemacht werden, in dem man eine Maske verwendet, deren untere Oberfläche unterschnitten ist, damit ein auskragender Rand entsteht. Für diesen Zweck ist ein gewöhnliches Rasiermesserblatt als Maske brauchbar. So können Verjüngungen, die sich über Distanzen von etwa 5 mm erstrecken, hergestellt werden.

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Wenn man andere geeignete Schichtmaterialien wie etwa verschiedene Halbleiter oder verschiedene optische Gläser gebraucht, dann können konventionelle Verfahren des Verdampfens im Vakuum oder d es reaktiven Aufstäubens (reactive sputtering) angewendet werden. Bei jedem dieser Verfahren kann der sich verjüngende Schichtrand hergestellt werden, in dem man das Schichtmaterial.in der oben beschriebenen Weise durch eine mechanische Maske niederschlägt.

Man kann den gewünschten Hohlraum im Substrat 12 durch einfaches mechanisches Bohren bilden. Dazu sind gewöhnliche Bohrer in Größen, die dem gewünschten Innendurchmesser des Hohlraumes entsprechen, allgemein verfügbar. Die im wesentlichen halbkugelförmigen Hohlraumenden werden natürlich nach dem Bohren mit konventionellen Bohrern gebildet.

Die Wirkung der sich verjüngenden Schicht auf die in dieser Schicht übertragene optische Welle kann allgemein mit HiKe der Strahlenoptik erläutert werden. Eine optische Welle wie etwa die in der Fig. 1 dargestellte Welle 14 kann als eine hin- und herverlaufenden ebene Welle betrachtet werden, weil sie intern an der oberen und unteren Oberfläche der Schicht 11 reflektiert wird. Da die betrachtete Welle in der Schicht fort-

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schreitet, entsteht auf diese Weise ein Zickzackweg. Sobald die Welle in den sich verjüngenden Bereich eintritt, wird der Winkel, den sie mit der normalen auf der unteren Oberfläche der Schicht bildet, fortlaufend kleiner, bis er kleiner als der kritische Winkel der Innenreflektion an der Schicht-/Substratgrenzflache ist. An dieser Stelle, dem Grenzpunkt X , wird die Welle nicht langer in die Schicht zurückreflektiert, sondern tritt als reflektierte Welle in das Substrat ein.

Um das Wellenprofil im Substrat zu bestimmen, ist es notwendig, die Wellentheorie anzuwenden. Wie bereits oben gezeigt wurde, führt die Schichtverjüngung dazu, daß die relative Übertragungskonstande der Schicht gleichmäßig und fortlaufend abnimmt. Die Wirkung dieser Abnahme der relativen Übertragungskonstante kann analysiert werden, in dem man den sich verjüngenden Sehichtbereieh in eine große Zahl von kleinen Stufen unterteilt und bei jeder Stufe sukksesive eine Reihe von numerischen Wellenberechnungen ausführt, bis der Grenzpunkt X im Verjüngungsbereich erreicht ist. Diese

Berechnungen'zeigen, daß in einem Abstand von mehreren optischen Wellenlängen vor dem Bnkte X der Verjüngung eine allmähliche Umwandlung der in der Schicht 11 geführten optischen Welle in Substratmoden beginnt, bis die Wellenenergie

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im Punkte X vollständig aus der betrachteten Schicht verc

schwindet und als Strahlungsfeld im Substrat 12 wieder erscheint. Das Fernfeldmuster der aus der Schicht 11 austretenden Strahlung kann nach einem mathematischen Verfahren berechnet werden, das als das Verfahren der stationären Phase bekannt ist. (J.Mathwes and H. L. Walker, "Mathematical Methods of Physics", W.A. Benjamin, 1965, Seiten 85-86). Es kann gezeigt werden, daß die optische Welle im Substrat unter einem spitzen Winkel zur Schicht-/Substratgrenzfläche scharf ausgerichtet ist, vorausgesetzt, daß sich die Schicht 11 allmählich und nahezu linear verjüngt. Die aus der Schicht austretende Welle ist also relativ hoch kollimiert, was auch erwünscht ist, weil sie von der optischen Faser 16 im Substrat aufgefangen wird.

Die Fig, 2 zeigt für eine sich verjüngende Schicht und eine oben in Verbindung mit dei· Fig. 1 als Beispiel beschriebene Substratanordnung die Form des berechneten Strahlungsprofiles im Substrat. Die Mittellinie des Strahlungsprofiles im Substrat 12 bildet bezüglich der Schicht-/Substratgrenzfläche einen Winkel von etwa 5 . Wenn man den Verjüngungsanstieg der Schicht 11 von o, 01 auf 0, 001 ändert, ergibt sich kein wesentlicher Unterschied. In einem Abstand von 1 mm vom Grenz-

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punkt X hat das Strahlenbündel im Substrat 12 einen Durchmesser von etwa 60 Mikrometern, während es in einem Abstand

von 4 mm von X einen auf etwa 380 Mikrometer angewachsenen c

Durchmesser aufweist. Um die gesamte Strahlung, die aus der Schicht 11 austritt, aufzunehmen und so ein wirksames Koppeln der Welle in die Faser sicherzustellen, sollte der Faserdurchmesser an der Aufnahmestelle im Substrat größer als der Wellendurchmesser sein. Bei relativ großen Faserdurchmessern, d.h. Fasern mit Außendurchmessern in der Größenordnung von 100 Wellenlängen im freien Raum oder mehr, erfordert das einfach, daß der Hohlraum so in das Substrat und die Faser so in den Hohlraum eingebracht wird, daß das Faserende ausreichend dicht beim Grenzpunkt X in der Schicht liegt. Bei Fasern mit kleinerem Durchmesser ind ummantelten Fasern mit Innenkernen relativ kleinen Durchmessers kann es schwierig sein, den Hohlraum und die Faser so zu positionieren, weil der Winkel der in das Substrat gerichteten Welle gegenüber der Schicht-/Substratgrenzfläche klein ist. Aus diesem Grunde können Strukturen wie die unten in Verbindung mit den Fig. 3A, 3B und 4 beschriebenen brauchbar sein.

Wie bereits zuvor erwähnt wurde, erreicht man durch eine

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allmähliche, im wesentlichen linear verlaufende Verjüngung der Schicht 11 effektiv eine relativ hoch kollimierte Welle im Substrat 12, was es erleichtert, diese Welle wirksam in die Faser 16 einzukoppeln. Verjüngungen, die sich über Distanzen erstrecken, die größer als etwa zehnmal der Wellenlänge der optischen Welle 14 im freien Raum sind, sind für vorliegende Zwecke genügend abgestuft, und liefern gute Ergebnisse. Ferner trägt eine allmählich sich verjüngende Schicht 11 wirksam dazu bei, daß die geführte Welle im oder nahe beim Grenzpunkt in der Schicht nicht reflektiert und dort nur minimale Verluste, die auf Streuung und Absorption zurückzuführen sind, auftreten. Um detailliert zu analysieren, wie

der in der Dicke sich verjüngende Endbereich angewendet wird, um Licht aus einem Dünnschichtwellenleiter auszukoppeln, wird auf den Aufsatz von B K. Tien und R. J. Martin in Band 18 der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Seite 398 (1971) und auf die US-Patentschrift 3 617 109 hingewiesen bzw. Bezug genommen.

Ein Verfahren, um das Einkoppeln einer geführten optischen in Fasern mit relativ kleinem Durchmesser oder in ummantelte Fasern mit Innenkernen relativ kleinen Durchmessers zu erleichtern, besteht darin, die in der Fig. 1 als Ausführungs-

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beispiel dargestellte Anordnung mit einer nichtummantelten Faser 16 von relativ kleinem Durchmesser zu verwenden und diese Faser über einen Verbin dungsbereich (junction box) mit der von außerhalb des Substrats kommenden Faser kleineren Durchmessers zu verbinden. Ein für diesen Zweck geeigneter Verbindungsbereich ist in den Fig. 3A und 3B im Querschnitt dargestellt. Der Verbindungsbereich 31 ist beispielsweise aus einem optisch transparenten Material wie etwa Polymethylmethacrylat mit einem Brechungsindex von etwa 1,49 gebildet. Er weist drei miteinander verbundene Hohlräume auf: an seinem einen Ende einen Hohlraum 33, dessen Querschnitt so geformt und bemessen ist, daß er ein Ende der Faser 16 mit großem Querschnitt aufnehmen kann, an seinem anderen Ende einen Hohlraum 34, dessen Querschnitt so geformt und bemessen ist, daß er ein Eide der Faser mit kleinem Durchmesser aufnehmen kann, so z.B. die ummantelte Faser 36, und einen sich verjüngenden Hohlraum 35, der einen gleichmäßigen und allmählichen Übergang zwischen den Hohlräumen 33 und 34 bildet. Der sich verjüngende Hohlraum 35 erstreckt sich innerhalb des Verbindungsbereiches 31 über eine Distanz, die größer als zehn Wellenlängen der optischen Welle 14 im freien Raum ist. Der Verbindungsbereich 31 kann durch sukkzesiv erfolgendes Ausbohren eines Polymethylmethacrylat-Festkörperblocks

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oder dadurch gebildet werden, daß man von Monomerem Methylmethacrylat ausgeht und das Monomere runc'um wieder entfernbare Einsätze (z.B. Glaseinsätze) in der Form der gewünschten Hohlräume durch Photopolymerisation polymerisiert. Um die Verbindung herzustellen, ist, wie die Fig. 3B zeigt, die Faser 16 in den Hohlraum 33 und die Faser 36 in den Hohlraum 34 eingefügt. Die im Zusammenhang mit dem Verbindungsbereich 31 dargestellten Hohlräume sind beispielsweise mit einem transparenten Füllmaterial 38 gefüllt, dessen Brechungsindex etwas größer als der des Verbindungsbereiches ist (z.B. etwa 1% größer). Das Füllmaterial 28 kann ein transparenter Kleber (z.B. Epoxy) oder ein transparentes Monomere (z.B. Cyclohexylmethacrylat) sein und befestigt, wenn es ausgehärtet oder polymerisiert ist, die Fasern gut am Verbindungsbereich.

Das in der Fig. 1 dargestellte grundlegende Ausführungsbeispiel kann selbst modifiziert werden, um ummantelte Fasern mit Innenkernen relativ kleinen Durchmessers besser koppeln zu können. Eine solche modifizierte Anordnung ist die in der Fig. 4 als Beispiel angeführte. Auf einem Substrat 42 mit einem niedrigeren Brechungsindex befindet sich eine dünne dielektrische Schicht 41, die eine optische Welle 44 führen kann. Die Schicht 41 weist ähnlich wie die in der Fig. 1 ab-

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gebildete Schicht 11 einen Endbereich auf, der sich zwischen den Punkten X und X allmählich verjüngt, um im Grenz- . punkt X aus der bezeichneten Schicht aus- und in das Substrat 42 einzutreten. Die optische Welle 44 wird also aus der Schicht

41 unter einem WinkeloC (z.B. von etwa 5 ) zur Schicht-/Sibstratgrenzfläche in das Substrat 42 hinein übertragen. Das Substrat

42 weist einen sich verjüngenden Hohlraum 45 auf, dessen Mittelachse im wesentlichen .Längs des Winkels ck im Substrat

ei

orientiert ist. Der Querschnitt des am weitesten vom Grenzpunkt X entfernten Endes des Hohlraumes 45 ist so geformt und bemessen, daß dort ein Ende der un mantelten optischen Faser 46 aufgenommen werden kann. Der Querschnitt des am nächsten beim Grenzpunkt X gelegenen Endes des ,sich ver-

jünden Hohlraums 45 ist schmaler bemessen und beispielsweise etwa dem des Innenkernes der Faser 46 gleich. Diese beiden Enden des Hohlraumes 45 sind über einen mittleren, sich verjüngenden Bereich miteinander verbunden, der einen gleichmäßigen, allmählichen Übergang vom enger zum weiter bemessenen Hohlraumende bildet. Wie im Falle des Hohlraumes 15 des in der Fig. 1 abgebildeten Ausführungsbeispieles endet der Hohlraum 45 dort, wo er am dichtesten an den Grenzpunkt X heranreicht, halbkugelförmig, damit sichergestellt ist, daß

C .

die optische Welle 45 wirksam in den Hohlraum eingekoppelt

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wird. Außerdem ist der Hohlraum 45 beispielsweise mit einem transparenten Füllmaterial 48 gefüllt, dessen Brechungsindex sowohl den des Substrates 42 als auch den des Innenkernes der Faser 46 übersteigt. Das Füllmaterial 48 kann ein transparenter Kleber oder ein Monomere sein und befestigt, wenn es ausgehärtet oder polymerisiert ist, die Faser 46 gut am Substrat 42.

Es soll festgehalten werden, daß die im Zusammenhang mit dem in der Fig. 4 abgebildeten Ausführungsbeispiel angedeutete optische Welle 44 in einem Punkt des Substrates 42 aufgefangen werden kann, in dem der Wellendurchmesser noch relativ klein ist (d.h. in einem Punkt dicht bei X ). Der sich verjüngende Hohlraum 45 im Substrat 42 kann durch succzesives mechanisches Ausbohren gebildet werden und zwar zunächst mit einem Bohrer, dessen Abmessung mit der des schmaleren Endes des Hohlraumes vergleichbar ist, und dann mit einem Bohrer, dessen Abmessung mit dem breiteren Ende des Hohlraumes vergleichbar ist oder umgekehrt. Bei polymeren Substratmaterialien wie etwa Polymethylmethacrylat kann ein Monomere des Polymeren um den wieder entfernbaren E insatz in der Form des gewünschten Hohlraumes herum polymerisiert werden. Andere als Beispiel anzuführende Materialien, Parameter und

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Einzelheiten der Herstellung sind im wesentlichen dieselben wie die, die bereits oben im Zusammenhang mit dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert worden sind. Wenn, wie es hier vorgeschlagen wird, einmal die optimale Position des_r Hohlraumes im Substrat und der Faser im Hohlraum festgelegt ist, kann jede der in den Fig. 1 ,. . und 4 dargestellten Anordnungen zum Ankoppeln in einer Richtung entgegengesetzt zur beschriebenen verwendet werden, d. h. zum Auskoppeln aus der Faser und Einkoppeln in die Dünnschicht. Die optimale Position der Faser im Hohlraum kann in jedem Falle am besten bestimmt werden, in dem man von Hand einrichtet, während das Füllmaterial noch in einem flüssigen Zustand ist, bis die Intensität des in die Faser eingekoppelten Lichtes maximal ist.

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Claims

BLUMBACH ■ WEISER ■ SERQ£N & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

DlPL-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. DR. W. WESER · DIPt.-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

«2 WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 . TEL. (06121) 5i2943, 5i1998 MÖNCHEN

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PATENTANSPRÜCHE

Koppeleinrichtung zum Übertragen einer optischen, elektromagnetischen Strahlungswelle zwischen einem als Dünnschicht und einem als Faser ausgeführten optischen Wellenleiter,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Schicht auf einem Substrat mit niedrigerem Brechungsindex angeordnet ist und einen Endbereich aufweist, der längs des Weges, längs dessen die Welle in dem Endbereich geführt werden soll, allmählich bis hin zu einem Grenzpunkt, an dem die Schicht die Welle nicht mehr führen kann, dünner wird, wobei die Welle im sich verjüngenden Endbereich aus der Schicht aus- und längs eines Weges in das Substrat eintritt, und

daß das Substrat einen Bereich aufweist, der als Hohlraum definiert ist, welch letzterer die über einen vorgesehenen Weg im Substrat übertragene Welle aufnimmt und in den die Faser mit einem Teil ihrer Länge eingefügt ist.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht im wesentlichen gleichmäßig und größenordnungsmäßig so dick wie die Wellenlänge der in der Schicht zu führenden Welle im freien Raum ist, und daß sich der Endbereich der Schicht weitgehend linear bis im wesentlichen zur Dicke Null verjüngt, wobei er sich über einen Schichtabschnitt erstreckt, der etwa gleich oder größer als die zehnfache Wellenlänge der Welle im freien Raum ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Substratbereich einen Hohlraum mit einem im wesentlichen halbkugelförmig ausgebildeten Ende-aufweist, das mit einem Füllmaterial gefüllt ist, dessen Brechungsindex größer als der des Substrates ist, damit in dem Substrat am Resonatorende eine im wesentlichen halbkugelförmige Linse gebildet wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Füllmaterial ein flüssiger Monomere ist, der polymerisiert werden kann, um die Faser innerhalb des Hohlraumes gut am Substrat zu befestigen.

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5. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Füllmaterial ein flüssiger Kleber ist, der nach dem Aushärten die Faser innerhalb des Hohlraums gut am Substrat befestigt.
6. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Substratbereich einen Hohlraum definiert, dessen Mittelachse im wesentlichen kollinear mit dem Weg verläuft, den die Welle im Substrat beschreiben soll.
7. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Faser ein zylindrischer Faserwellenleiter mit einem Brechungsindex, der größer als der Brechungsindex des Substrates ist, und mit einem Durchmesser von mehr als hundertmal der Wellenlänge im freien Raum ist, daß ein zweiter Faserwellenleiter einen leitenden Bereich mit einem Querschnitt kleiner als der Durchmesser des ersten Faserwellenleiters aufweist, und daß sich zwischen dem zylindrischen Faserwellenleiter und dem zweiten Faserwellenleiter ein Verbindungsbereich befindet.

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8. Einrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Faserwellenleiter ein zylindrischer, ummantelter Wellenleiter ist, dessen leitender Bereich ein zylindrischer Innenkern aus einem ersten transparenten Material ist, wobei der Innenkern von einem Außenmantel aus einem zweiten transparenten Material mit kleinerem Brechungsindex als der des ersten Materials umgeben ist und einen kleineren Durchmesser als der erste Faserwellenleiter hat.
9. Einrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Faser ein zylindrischer ummantelter Faserwellenleiter mit einem Innenkern aus einem ersten transparenten Material und einem Außenmantel aus einem zweiten transparenten Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als der des Innenkernes ist, und daß der Substratbereich einen zylindrischen Hohlraum definiert, dessen Durchmesser ausgehend von einem Durchmesserwert, der im wesentlichen gleich dem Innenkerndurchmesser ist, in einem Bereich längs der Hohlraummittelachse, der am dichtesten beim Grenzpuikt der Schicht ljegt, allmählich soweit anwächst, daß er in einem Bereich längs der Resonatormittelachse, der am weitesten vom Grenzpunkt der Schicht entfernt ist, größer als der Außenmanteldurchmesser ist.

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