DE2503405C3

DE2503405C3 - Optical coupler

Info

Publication number: DE2503405C3
Application number: DE19752503405
Authority: DE
Inventors: Jacob Meyer Trenton N.J. Hammer (V-StA.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-01-29
Filing date: 1975-01-28
Publication date: 1977-12-15

Description

S = -—-?--- sinS = -—-? --- sin

(I₁ sin (-) (I ₁ sin (-)

f η-, sin (-) f η-, sin (-)

arc tan I arc tan I.

V n, - H₂ cosV n, - H ₂ cos

cos (-) cos (-)

3535

/ /1. sin (-) \ / /1. sin (-) \

Φ - arc tan! I Φ - arc tan! I.

\n₂ — /ι, cos HJ \ n ₂ - / ι, cos HJ

wobei Ao die Vakuumwellenlänge der Lichtschwingungsenergie bedeutet.where Ao is the vacuum wavelength of the light oscillation energy means.

2. Optischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Strichtiefe des Beugungsgitters (400) von dessen einem Ende zu seinem anderen Ende nach einer gegebenen Funktion ändert.2. Optical coupler according to claim 1, characterized in that the line depth of the diffraction grating (400) from its one end to its other end according to a given function changes.

3. Optischer Koppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Strichtiefe nach einer exponentiellen Funktion ändert.3. Optical coupler according to claim 2, characterized in that the line depth after a exponential function changes.

5°5 °

Die Erfindung betrifft einen optischen Koppler nach em Oberbegriff des Anspruchs 1. ^₅ The invention relates to an optical coupler according to the preamble of claims 1. ^ ₅

Die in jüngerer Zeit entwickelten verlustarmen iseroptischen Wellenleiter erlauben die Realisierung reitbandiger optischer Kommunikationssysteme. Bei olchen Systemen wird ein Träger aus kohärenter iptischer Schwingungs- oder Lichtenergie mit einem f,₀ ider mehreren Informationssignalkanälen moduliert. )ie modulierte Lichtsohwingung wird in einem optichen Kommunikationsnetzwerk nutzbar gemacht, das :ine Anzahl getrennter Gruppen optischer Verarbeiungselemente enthält, die miteinander durch faseropti- (,_, ehe Wellenleiter oder Übertragungsleitungen gekop- >elt sind. Die optische Signalverarbeitung, wie Schalten, vlodulieren und dergleichen wird jedoch gewöhnlich in ebenen optischen Wellenleitern durchgeführt, siehe z. B. US-PS 37 95 433· Man muß in der Praxis daher eine Anordnung zur Kopplung optischer Schwingungsenergie zwischen ebenen oder planaren optischen Wellenleitern und Faseroptikelementen vorsehen.The recently developed low-loss iseroptic waveguides allow the realization of full-band optical communication systems. In olchen systems, a carrier of coherent iptischer vibration or light energy with a f ₀ is modulated ider plurality of information signal channels. ) The modulated light oscillation is made usable in an optical communication network which: contains a number of separate groups of optical processing elements which are coupled to one another by fiber optic (, _, before waveguides or transmission lines. Optical signal processing, such as switching, modulating and However, the same is usually carried out in planar optical waveguides, see, for example, US Pat. No. 3,795,433.

Es ist bekannt (»IBM Technical Disclosure Bulletin«, Bd. 13, No. 9, Seiten 2529-2530), in einem optischen Komm'unikationssystem mit Dünnfilm-Wellenleitern zu koppelnde optische Fasern entweder in Längsrichtung parallel auf die streif enförmigen ebenen Wellenleiter zu legen oder die Fasern als Bündel mit einem kleinen Neigungswinkel Θ, dessen Wert genau gewählt werden muß, schräg auf den ebenen Wellenleiter stoßen zu lassen. Es läßt sich zeigen, daß bei der letztgenannten Anordnung eine befriedigende Kopplung nur dann möglich ist, wenn der Neigungswinkel θ einem bestimmten Verhältnis der Brechungsindizes der optischen Fasern und des ebenen Wellenleiters entspricht.It is known ("IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 13, No. 9, pages 2529-2530), in an optical Communication system with thin-film waveguides, optical fibers to be coupled either in the longitudinal direction to lay parallel to the strip-shaped flat waveguide or the fibers as a bundle with a small one Angle of inclination Θ, the value of which must be chosen precisely, hit the flat waveguide at an angle leave. It can be shown that with the last-mentioned arrangement only then a satisfactory coupling is possible when the inclination angle θ a certain ratio of the refractive indices of the optical Fibers and the planar waveguide corresponds.

Es ist ferner bekannt (US-PS 36 74 336), Licht einer entfernten Lichtquelle in einen optischen Dünnfilm-Wellenleiter mittels eines »dicken« Beugungsgitters vom Bragg-Typ zu koppeln, der sich längs der Wellenleiteroberfläche erstreckt und unerwünschte Moden unterdrücken soll. Eine direkte Kopplung zwischen einem faseroptischen Wellenleiter und dem ebenen Wellenleiter ist hier nicht vorgesehen und auch nicht ohne weiteres möglich.It is also known (US-PS 36 74 336), a light distant light source into a thin-film optical waveguide by means of a "thick" diffraction grating coupling of the Bragg-type extending along the waveguide surface and undesirable To suppress fashions. A direct coupling between a fiber optic waveguide and the flat waveguide is not provided here and is also not easily possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Koppler anzugeben, der eine bessere Kopplung als bisher durch verlaufende Felder zwischen faseroptischen und ebenen Wellenleitern gewährleistet, die praktisch unabhängig von dem Winkel θ ist.The invention is based on the object of specifying a coupler which has a better coupling than previously ensured by fields running between fiber optic and flat waveguides that is practically independent of the angle θ.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.The invention solves this problem with the characterizing features of claim 1.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß eine Kopplung in beliebiger Richtung zwischen dem faseroptischen Wellenleiter und dem ebenen Wellenleiter möglich ist.The invention has the advantage that a coupling in any direction between the fiber optic Waveguide and the planar waveguide is possible.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail with the aid of the drawing. Show it

Fig. la und Ib eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer Anordnung zur direkten Kopplung eines ebenen Wellenleiters mit einem Faseroptikelement, bei der die Erfindung jedoch nicht realisiert ist,La and Ib show a plan view and a side view, respectively an arrangement for the direct coupling of a planar waveguide with a fiber optic element but the invention is not realized,

F i g. 2a eine Ausführungsform eines Kopplers mit einem Beugungsgitter,F i g. 2a shows an embodiment of a coupler with a diffraction grating,

F i g. 2b eine vergrößerte Schnittansicht in einer Ebene A '-A der F i g. 2a undF i g. 2b shows an enlarged sectional view in a plane A'-A of FIG . 2a and

F i g. 3a und 3b graphische Darstellungen, auf die bei der Erläuterung des in Fig.2a und 2b dargestellten Kopplers Bezug genommen wird.F i g. 3a and 3b graphical representations to those shown in the explanation of the in Fig.2a and 2b Coupler is referred to.

Bei den dargestellten Kopplern erfolgt die Lichtkopplung jeweils mit verlaufenden (»evaneszenten«) elektromagnetischen Feldern des sich im Faseroptik-Wellenleiter und dem ebenen optischen Wellenleiter ausbreitenden Lichtes. Wie bei allen Fällen einet Kopplung mittels verlaufender Felder tritt eine starke Kopplung nur dann ein, wenn die Phasengeschwindig keiten der miteinander in Wechselwirkung tretender Felder aneinander angepaßt sind. Das Problem besteh also darin, eine Anordnung anzugeben, bei der die Phasengeschwindigkeiten der miteinander in Wechsel wirkung tretenden, koppelnden Felder aneinandei angepaßt sind.With the couplers shown, the light coupling is carried out with running (»evanescent«) electromagnetic fields of the fiber optic waveguide and the planar optical waveguide spreading light. As in all cases of coupling by means of running fields, there is a strong one Coupling only when the phase velocities of the interacting Fields are matched to one another. So the problem is to provide an arrangement in which the Phase velocities of the interacting, coupling fields to one another are adapted.

Bei der Anordnung gemäß Fig. la und Ib ist au einem Substrat 100 der eigentliche ebene optisch) Wellenleiter in Form einer ebenen Schicht 10: angeordnet. Die Schicht 102 kann aus Glas, einen elektro-optischen Kristall usw. bestehen, während füIn the arrangement according to Fig. La and Ib is au a substrate 100 the actual planar optical waveguide in the form of a planar layer 10: arranged. The layer 102 may consist of glass, an electro-optic crystal, etc., while fü

das Substrat 100 irgend ein Dielektrikum, wie Glas oder ein optischer Kristall, verwendet wtiden kann, das an der Grenzfläche zur ebenen Schicht 102 einen niedrigeren Brechungsindex hat als diese Schicht Wie in Fig. la schematisch dargestellt ist, breitet sich im Betrieb ein Lichtbündel 104 in einer vorgegebenen Richtung (horizontal von links nach rechts) in einem Bereich der ebenen Schicht 102 durch diese aus. Die Schwingungsenergie des Lichtbündels 104 hat im wesentlichen eine vorgegebene Wellenlänge, und das Lichtbündel breitet sich mit einem im wesentlichen ebenen Schwingungstyp (Mode) mit einer Geschwindigkeit aus, die für den betrachteten speziellen Schwingungstyp umgekehrt proportional zum effektiven Brechungsindex /i| der Schicht 102 Kt Eine hohe Kohärenz des Lichtes ist wünschenswert; der erforderliche Kohärenzgrad wird durch den Bereich der Frequenzen der gekoppelten speziellen Schwingungstypen bestimmt Licht, das dieser Forderung genügt, soll hier als »quasi-kohärent« bezeichnet werden.the substrate 100 any dielectric such as glass or an optical crystal that can wtiden used at of the interface to the planar layer 102 has a lower refractive index than this layer As in FIG Fig. La is shown schematically, spreads in Operate a light beam 104 in a predetermined direction (horizontally from left to right) all at once Area of the flat layer 102 through this. The vibration energy of the light beam 104 has im essentially a predetermined wavelength, and the light beam propagates with an essentially level vibration type (mode) with a speed that is appropriate for the particular vibration type under consideration inversely proportional to the effective refractive index / i | the layer 102 Kt A high Coherence of light is desirable; the required degree of coherence is determined by the range of Frequencies of the coupled special vibration types determine light that meets this requirement, should can be referred to here as "quasi-coherent".

Wie Fig. la zeigt, verläuft der Abschnitt des Kerns 108, der sich in naher Nachbarschaft der Schicht 102 befindet, unter einem Winkel θ bezüglich der (horizontalen) Richtung des Bereiches der ebenen Schicht 102, durch den sich das Lichtbündel 104 ausbreitet. Aus Fig. la ist auch ersichtlich, daß das sich nahe hei der dünnen Schicht 102 befindliche Ende des Kerns 108 Längsabschnitte L₂ und L₃ enthalten kann, die sich oberhalb bzw. unterhalb des Bereiches der Schicht 102, durch den sich das Lichtbündel 104 ausbreitet, befinden. Im Kern 108 pflanzt sich Lichtschwingungsenergie des im speziellen betrachteten nichtebenen Schwingungstyps mit einer Geschwindigkeit aus, die umgekehrt proportional zum effektiven Brechungsindex n₂ des Kerns ist.As FIG. 1 a shows, the section of the core 108 which is in the immediate vicinity of the layer 102 extends at an angle θ with respect to the (horizontal) direction of the region of the planar layer 102 through which the light beam 104 propagates. From FIG. 1 a it can also be seen that the end of the core 108 located near the thin layer 102 _{can contain longitudinal sections L 2} and L ₃ which extend above and below the area of the layer 102 through which the light beam 104 propagates , condition. Light oscillation energy of the non-planar oscillation type considered in particular is propagated in the core 108 at a speed which is inversely proportional to the effective refractive index n _{2 of} the core.

Wie bereits erwähnt, tritt eine starke Kopplung durch schwindende oder verlaufende Felder zwischen dem Lichtbündel 104, das sich in der ebenen Wellenleiterschicht 102 ausbreitet, und dem Kern 108 des Faseroptik-, Licht- oder Wellenleiters 106 nur dann ein, wenn die jeweiligen Phasengeschwindigkeiten der Lichtschwingungsenergie in der Schicht 102 des ebenen Wellenleiters und dem Kern 108 des Faseroptik-Wellenleiters 106 aneinander angepaßt sind. Wenn der Ausbreitungsvektor in der Schicht 102 des ebenen Wellenleiters mit A:i bezeichnet wird und der Ausbreitungsvektor im Kern 108 des Faseroptik-Wellenleiters mit ki bezeichnet wird, ist, damit eine starke Kopplung über abklingende Felder stattfinden kann:As already mentioned, a strong coupling occurs through dwindling or spreading fields between the light bundle 104, which propagates in the planar waveguide layer 102, and the core 108 of the fiber optic, light or waveguide 106 only if the respective phase velocities of the light oscillation energy in the plane waveguide layer 102 and the core 108 of the fiber optic waveguide 106 are matched. If the propagation vector in the plane waveguide layer 102 is denoted by A: i and the propagation vector in the core 108 of the fiber optic waveguide is denoted ki , so that strong coupling can take place via evanescent fields is:

ic, cos Θ = k₂ ic, cos Θ = k ₂ (D(D dabei sind:there are: /c, = 2 π /1,/A₀ ;/ c, = 2π / 1, / A ₀ ; (2)(2) k₂ = 2 .-r /h/A,,; k ₂ = 2.-r / h / A ,,; (3)(3)

wobei Ao die Vakuumwellenlänge des Lichts bedeutet.where Ao is the vacuum wavelength of light.

Setzt man die Gleichungen (2) und in Klammern (3) in die Gleichung (1) ein, so erhält man:Inserting equations (2) and in brackets (3) into equation (1), one obtains:

cos (■) = /i₂//i,.cos (■) = / i ₂ // i ,.

Diese Gleichung läßt sich erfüllen, solange H₂ S m.
' Damit eine Kopplung eintritt, ist zwar eine Phasenanpassung wesentlich, der Grad oder das Ausmaß der Kopplung, die stattfindet, sind jedoch außerdem noch von solchen Faktoren wie der Schwingungstyppolarisation, der Länge des Abschnittes Li und dem tatsächlichen Abstand zwischen dem Kern 108 und der Schicht 102 des ebenen Wellenleiters abhängig. In dem häufigsten Falle, bei dem möglichst 'venig Lichtschwingungsenergie vom Faseroptik-Wellenleiter 106 zurück in die Schicht 102 des ebenen optischen Wellenleiters gekoppelt werden soll, soll die Länge der Abschnitte Li und Ls die sich in nächster Nachbarschaft der SchichtThis equation can be fulfilled as long as H ₂ S m.
While phase matching is essential for coupling to occur, the degree or extent of coupling that occurs is also dependent on factors such as mode polarization, length of section Li, and the actual distance between core 108 and the layer 102 of the planar waveguide. In the most common case, in which as little light oscillation energy as possible should be coupled back into the layer 102 of the planar optical waveguide from the fiber optic waveguide 106, the length of the sections Li and Ls should be in the immediate vicinity of the layer

ίο 102 des ebenen Wellenleiters (praktisch in direkter Berührung mit dieser) befinden und außerhalb des Bereiches liegen, durch den sich das Lichtbündel 106 ausbreitet, so weitgehend wie möglich zu Null gemacht werden.ίο 102 of the flat waveguide (practically in direct Contact with this) and lie outside the area through which the light beam 106 should be made as zero as possible.

Um die erforderliche nahe Nachbarschaft zwischen der Schicht 102 des ebenen Wellenleiters und dem Endteil des Faseroptik-Kerns 108 herzustellen, kann der Faseroptik-Kern 108 mit einer Formklemme gegen die Schicht 102 des ebenen Wellenleiters gedrückt werden, oder diese beiden Elemente können mit den verschiedensten optisch transparenten Klebern, Kitten, Keramik- oder Glasmaterialien verbunden werden. In bestimmten Fällen kann es zweckmäßig sein, Kleber, Kitte u.dgl. mit verschiedenen Opazitätsgraden zu verwenden.In order to achieve the required close proximity between the planar waveguide layer 102 and the To produce the end portion of the fiber optic core 108, the fiber optic core 108 can be clamped against the Layer 102 of the planar waveguide are pressed, or these two elements can be with a wide variety optically transparent adhesives, cement, ceramic or glass materials are connected. In In certain cases it can be useful to use adhesives, putties and the like with different degrees of opacity use.

Die Anordnung gemäß Fig. la und Ib, bei der ein direkter Kontakt zwischen der Faseroptik und der ebenen Wellenleiterschicht besteht, ermöglicht also an sich eine wirksame Kopplung von kohärenter Licht-The arrangement according to Fig. La and Ib, in which a there is direct contact between the fiber optics and the planar waveguide layer, thus enabling effective coupling of coherent light

Schwingungsenergie durch Überlappung der verlaufenden Felder der Lichtschwingungsenergie in Faseroptik-Wellenleitern und ebenen optischen Wellenleitern, doch werden die eine starke Kopplung von Licht zwischen der Faseroptik und der ebenen Wellenleiterschicht in den Fig. la und Ib ergebenden geometrischen Beziehungen durch die Forderung der Gleichungen (4) beschränkt Diese Einschränkungen entfallen bei der Anordnung gemäß F i g. 2a und 2b.Vibration energy through the overlapping of the fields of the light vibration energy in fiber optic waveguides and planar optical waveguides, yet which are a strong coupling of light between the fiber optics and the planar waveguide layer in Figs. La and Ib resulting geometric relationships limited by the requirement of equations (4) These restrictions do not apply to the Arrangement according to FIG. 2a and 2b.

Die in F i g. 2a dargestellte Anordnung entspricht der gemäß F i g. la und Ib, doch ist zwischen das freigelegte Ende des Faserkerns 402 eines Faseroptik-Wellenleiters 404 und die Oberfläche eines ebenen optischen Wellenleiters 406 ein Beugungsgitter 400 eingefügt. Der Faseroptik-Wellenleiter 404 hat mit Ausnahme seines Endes eine Ummantelung 408.The in F i g. 2a corresponds to the arrangement shown in FIG. la and Ib, but between what is exposed End of fiber core 402 of a fiber optic waveguide 404 and the surface of a planar optical Waveguide 406, a diffraction grating 400 is inserted. The fiber optic waveguide 404 has except for his End a sheath 408.

Das Beugungsgitter 400 kann dadurch hergestellt werden, daß man einen Teil der Oberfläche des ebenen Wellenleiters 406 mit einem Photolack beschichtet, diesen dann holographisch belichtet und den belichteten Photolack entwickelt. Wie die vergrößerte Schnittansicht F i g. 2b zeigt, hat der ebene Wellenleiter 406 die Form einer auf einem Substrat 408 angeordneten Schicht, und das aus Photolack gebildete Beugungsgitter 400 ist zwischen dem Kern 402 des Faseroptik-Wellenleiters und dem ebenen optischen Wellenleiter 406 angeordnet. Wenn man in dem holographischen Aufzeichnungsinterferometer fokussierte Gaußsche Bündel verwendet, kann man der Strichtiefe des aus Photolack gebildeten Beugungsgitters 400 einen exponentiellen Verlauf geben, wie er in F i g. 2b dargestellt ist. Der Strichabstand des aus Photolack gebildeten Beugungsgitters 400 wird durch die Wellenlänge des zur Belichtung des Photolacks verwendeten Strahlung und die Einstellung des Winkels zwischen den beiden interferierenden Bündeln bestimmt, wie in der Holographie bekannt ist.The diffraction grating 400 can be made by having a portion of the surface of the flat Waveguide 406 coated with a photoresist, then exposed holographically and exposed Photoresist developed. As the enlarged sectional view F i g. 2b shows, the planar waveguide 406 has the Form of a layer arranged on a substrate 408, and the diffraction grating formed from photoresist 400 is between the core 402 of the fiber optic waveguide and the planar optical waveguide 406 arranged. If one has focused Gaussian in the holographic recording interferometer If bundles are used, the line depth of the diffraction grating 400 formed from photoresist can be an exponential one Give a course as shown in FIG. 2b is shown. The line spacing of the formed from photoresist Diffraction grating 400 is determined by the wavelength of the radiation used to expose the photoresist and the setting of the angle between the two interfering beams determines, as in holography is known.

Man kann das Beugungsgitter andererseits auch in der Oberfläche des ebenen Wellenleiters 406 durchOn the other hand, the diffraction grating can also be passed through in the surface of the planar waveguide 406

Ionen- oder Elektronenstrahl-Fräsen erzeugen, oder man kann es durch holographische Interferenz zwischen einem in den ebenen Wellenleiter fokussierten kohärenten Lichtbündel und einem in die Faseroptik fokussierten anderen kohärenten Lichtbündel in einem lichtempfindlichen Kunststoff erzeugen, in dem die Faseroptik und ein Teil des ebenen Wellenleiters enthalten sind.Ion or electron beam milling, or it can be done by holographic interference between a coherent light bundle focused in the planar waveguide and one focused in the fiber optic produce another coherent light beam in a light-sensitive plastic in which the fiber optics and a part of the planar waveguide are included.

Die Verwendung eines Beugungsgitters, wie es beispielsweise in den Fig.2a und 2b dargestellt ist, macht eine starke Kopplung durch verlaufende Felder zwischen dem ebenen Wellenleiter 406, der einen vorgegebenen ersten Brechungsindex m hat, und einem Faseroptik-Wellenleiter 404, dessen Kern 402 einen vorgegebenen zweiten Brechungsindex Th hat, unabhängig vom Winkel θ zwischen der Längsrichtung des Kopplungsendes des Kerns 402 und der Ausbreitungsrichtung des Lichtes im Bereich 410 des ebenen optischen Wellenleiters 406 möglich. Der Winkel θ ist also bei entsprechender Wahl des Strichabstandes des Beugungsgitters 400 und seiner Orientierung bezüglich des Lichtes, das sich durch den Bereich 410 ausbreitet, unabhängig von den Einschränkungen der für die F i g. 1 a und 1 b gültigen Gleichung (4).The use of a diffraction grating, such as is shown in Figures 2a and 2b, makes a strong coupling by traveling fields between the planar waveguide 406, which has a predetermined first refractive index m , and a fiber optic waveguide 404, the core 402 of which is a predetermined second refractive index Th , regardless of the angle θ between the longitudinal direction of the coupling end of the core 402 and the direction of propagation of the light in the region 410 of the planar optical waveguide 406 possible. If the line spacing of the diffraction grating 400 and its orientation with respect to the light propagating through the area 410 are selected accordingly, the angle θ is independent of the restrictions of the FIG. 1 a and 1 b valid equation (4).

F i g. 3a und 3b zeigen die geometrischen Beziehungen zwischen dem Ende des Kerns 402 des Faseroptik-Wellenleiters und dem Bereich 410 des ebenen optischen Wellenleiters, durch den sich kohärentes Licht ausbreitet. Der Bereich 410 hat eine effektive optische Wellenleiterbreite d\ parallel zur Ordinate y\ und bildet einen ebenen Wellenleiter für Licht, das sich in einer Richtung parallel zur Abszisse x\ ausbreitet Der Wellenausbreitungsvektor des Lichtes im Bereich 410 ist Jt|. In entsprechender Weise hat das Ende des Kerns 402 des Faseroptik-Wellenleiters eine effektive optische Wellenleiterbreite d₂ parallel zur Ordinate y₂ für Licht, das sich in einer Richtung parallel zur Abszisse X₂ ausbreitet. Der Wellenausbreitungsvektor des Lichtes im Kern 402 des Faseroptik-Wellenleiters ist k₂. Das Ende des Kerns 402 verläuft im Winkel θ bezüglich des Bereiches 410 des ebenen optischen Wellenleiters, so daß die punktierte Fläche in F i g. 3a den Überlappungsbereich des Kerns 402 und des Bereiches 410 darstellt, in dem eine starke Lichtkopplung zwischen der sich im Bereich 410 des ebenen optischen Wellenleiters ausbreitenden Lichtschwingung und dem Kern 402 des Faseroptik-Wellenleiters stattfinden soll. Eine solche starke Kopplung der Lichtschwingungsenergie hängt vom Vorhandensein einer Phasenanpassung ab, welche wiederum eine Funktion der jeweiligen Werte des Brechungsindex n\ des Bereiches 410 des ebenen optischen Wellenleiters und des Brechungsindex n₂ des Kerns 402 des Faseroptikwellenleiters, des Strichabstandes 5des Beugungsgitters 400 und der Orientierung dieses Beugungsgitters bezüglich des Bereiches 410 und des Kernes 402 ist. Wie diese Faktoren miteinander in Beziehung stehen, wird anhand des in Fig. 3b dargestellten Vektordiagramms erläutert.F i g. Figures 3a and 3b show the geometrical relationships between the end of the core 402 of the fiber optic waveguide and the region 410 of the planar optical waveguide through which coherent light propagates. The area 410 has an effective optical waveguide width d \ parallel to the ordinate y \ and forms a planar waveguide for light that propagates in a direction parallel to the abscissa x \. The wave propagation vector of the light in the area 410 is Jt |. Similarly, the end of the core 402 of the fiber optic waveguide has an effective optical waveguide width d ₂ parallel to the ordinate y ₂ for light propagating in a direction parallel to the abscissa X ₂ . The wave propagation vector of the light in the core 402 of the fiber optic waveguide is k ₂ . The end of core 402 is at angle θ with respect to region 410 of the planar optical waveguide so that the dotted area in FIG. 3a shows the overlapping area of the core 402 and the area 410, in which a strong light coupling is to take place between the light oscillation propagating in the area 410 of the planar optical waveguide and the core 402 of the fiber optic waveguide. Such a strong coupling of the light oscillation energy depends on the existence of a phase matching, which in turn is a function of the respective values of the refractive index n \ of the area 410 of the planar optical waveguide and the refractive index n _{2 of} the core 402 of the fiber optic waveguide, the line spacing 5 of the diffraction grating 400 and the orientation is this diffraction grating with respect to the region 410 and the core 402. How these factors are related to one another is explained with the aid of the vector diagram shown in FIG. 3b.

Damit eine Phasenanpassung stattfindet, muß gemäß F i g. 3b das Beugungsgitter 400 einen effektiven Wellenausbreitungsvektor k_g mit einem solchen Wert ergeben, daß sich bei einer Vektoraddition mit dem Wellenausbreitungsvektor k₂ ein Wert gleich dem Wellenausbreitungsvektor k\ ergibt Wenn also die Wellenausbreitungsvektoren Jti und k₂, die einen Winkel θ miteinander bilden, die in Fig.21b dargestellten relativen Beträge aufweisen, muß der für eine Phasenanpassung erforderliche Beugungsgitterschwingungs-Ausbreitungsvektor k_g den in F i g. 3b dargestellten relativen Betrag haben und den dargestellten Winkel Φ bezüglich des Vektors Jti haben.In order for a phase adjustment to take place, according to FIG. 3b, the diffraction grating 400 includes an effective wave propagation vector k _g having a value such revealed that k in a vector addition with the wave propagation vector _2, a value equal to the wave propagation vector k \ gives Thus, when the wave propagation vectors Jti and k _2, the θ form an angle with each other, have relative amounts shown in FIG. 21b, the diffraction grating vibration propagation vector k _g required for phase matching must be the same as in FIG. 3b and have the illustrated angle Φ with respect to the vector Jti.

Es läßt sich mathematisch zeigen, daß der richtige Beugungsgitterabstand S und der richtige Orientierungswinkel Φ des Beugungsgitters, die den für die Phasenanpassung erforderlichen Ausbreitungsvektor liefern, durch die folgenden Gleichungen gegeben sind:It can be shown mathematically that the correct diffraction grating spacing S and the correct orientation angle Φ of the diffraction grating, which provide the propagation vector required for phase matching, are given by the following equations:

S= ^Λ°S = ^Λ °

sin Θ sin Θ

sin < arcsin <arc

(π, sin (-) \ 77 /I₁ - /I₂ COS«/ (π, sin (-) \ 77 / I ₁ - / I ₂ COS «/

wobei A₀ die Vakuumwellenlänge bedeutet, undwhere A _{0 is} the vacuum wavelength, and

/ /i, sin θ \ .,„,/ / i, sin θ \ ., ",

Φ = arc tan ί ^! -1 (10)Φ = arc tan ί ^! -1 (10)

2S \ 2 1 /2S \ 2 1 /

Die Phasenanpassung ist zwar unabhängig von der Tiefe des Beugungsgitters, der Wert des Kopplungskoeffizienten hängt jedoch von dieser Tiefe ab. Unter der Annahme, daß das kohärente Licht sich in dem ebenen Wellenleiter 406 in Fig.2b von links nach rechts ausbreitet, ergibt der exponentiell Verlauf der Tiefe des Beugungsgitters 400 gemäß F i g. 2b einen verhältnismäßig kleinen Kopplungskoeffizienten für die Licht-The phase adjustment is independent of the depth of the diffraction grating, the value of the coupling coefficient however, depends on this depth. Assuming that the coherent light is in the plane Waveguide 406 propagates from left to right in FIG. 2b, results in the exponential course of the depth of the diffraction grating 400 according to FIG. 2b has a relatively small coupling coefficient for the light

Schwingungsenergie relativ hoher Intensität, die auf der linken Seite des ebenen Wellenleiters 406 herrscht, während der Kopplungskoeffizient für die Lichtschwingungsenergie relativ niedriger Intensität, die sich zum rechten Ende hin ergibt, relativ groß ist Ein Beugungsgitter 400 mit einer sich exponentiell ändernden Tiefe, wie es bei dem bevorzugter Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2b dargestellt ist ergibt einen sich exponentiell ändernden Kopplungsko effizienten; bei den Kopplern gemäß der ErfindungVibration energy of relatively high intensity, which is based on the left side of the planar waveguide 406 prevails, while the coupling coefficient for the light oscillation energy relatively low intensity, which results towards the right end, is relatively large A diffraction grating 400 with an exponentially changing depth, as is more preferred with the one The embodiment shown in FIG. 2b results in an exponentially changing coupling coefficient efficient; in the couplers according to the invention

4s kann man jedoch auch z. B. Beugungsgitter verwenden deren Tiefe und deren daraus resultierender Kopplungs koeffizient sich überhaupt nicht ändern, oder bei denei sich Tiefe und Kopplungskoeffizient von links nacl rechts in irgend einer anderen Weise ändern, z. B. linear4s can also be used e.g. B. Use diffraction grating their depth and their resulting coupling coefficient do not change at all, or at denei depth and coupling coefficient change from left to right in some other way, e.g. B. linear

so Die Wahl der Änderung der Kopplung und de Wertes von d\ werden so gewählt, daß sich im ebenei Wellenleiter ein Lichtbündel der gewünschten Abmes sung in der .^-Richtung mit einer gewünschte: Energieverteilung ergibt, wenn Licht von der Faser ii den ebenen Wellenleiter gekoppelt werden soll. In umgekehrten Falle werden diese Größen so gewähl daß eine maximale Kopplung von einem vorgegebene ebenen Bündel in die betreffende Faser gewährleiste ist.The choice of the change in the coupling and the value of d \ are chosen so that a light bundle of the desired dimensions in the. ^ - direction with a desired energy distribution results in the plane waveguide when light from the fiber ii the plane waveguide should be paired. In the opposite case, these sizes are chosen so that a maximum coupling of a given flat bundle in the fiber in question is guaranteed.

Hierzu 3 Blatt ZcichnuimcnFor this purpose 3 sheets of drawing

Claims

ι w »Patent claims:

1. Optical coupler for the transmission of at least quasi-coherent light oscillation energy between a fiber optic waveguide having a core and a planar optical waveguide, which has a given first effective refractive index for the propagation of the light oscillation energy along a predetermined longitudinal region of the planar waveguide in a coupling mode n \ , whereas the core of the fiber optic waveguide for the propagation of the optical oscillation energy in a coupling mode has a second effective ι s refractive index Π2 different from n \ and has a longitudinal section which is arranged parallel to the waveguide plane and at a predetermined oblique angle θ is inclined with respect to the longitudinal direction of the longitudinal region of the planar waveguide, characterized in that the longitudinal portion of the core (402) overlaps with a surface part of the longitudinal region (410) of the planar waveguide (406, 408) so as to that a mutual coupling of phase-matched running fields of the oscillation energy between the waveguides is ensured over this part, and that a diffraction grating (400) is provided, whose line spacing 5 and whose angle Φ with the longitudinal direction of the longitudinal region (410) essentially satisfy the following equations :