DE2552118A1

DE2552118A1 - Optischer koppler mit einem diffraktionsraster

Info

Publication number: DE2552118A1
Application number: DE19752552118
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Horiba Jobin Yvon SAS
Current assignee: Horiba Jobin Yvon SAS
Priority date: 1974-11-20
Filing date: 1975-11-20
Publication date: 1976-05-26
Also published as: FR2292243B1; FR2292243A1; GB1485068A; DE2552118C2

Description

Optischer Koppler mit einem Diffraktionsraster

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Koppler mit einem Lichtdiffraktionsraster, der aus einem Substrat besteht, das mit einer optisch dünnen Schicht bedeckt ist, die geeignet ist, eine sich längs dieser Schicht ausbreitende Lichtenergie einzuschließen, und aus einem Rasterbereich, der geeignet ist, das Licht unter einem Winkel in die Schicht hineinzubeugen, der die Ausbreitung innerhalb der Schicht gestattet.

Innerhalb dieser Schicht kann das Licht behandelt, beispielsweise verstärkt oder moduliert werden.

510-(7V95)-LpSl

609822/0952

Um die Umgebung mit der Lichtleitschicht zu koppeln, ist es bekannt, einen Raster zu verwenden, der das auffallende Licht derart beugt, daß die Diffraktionsrichtung einem Winkel entspricht, bei dem das Licht in der Leitschicht eingeschlossen ist.

Die bekannten Koppler haben gemäß Fig. 1 der Zeichnung ein Substrat 1, das eine dünne Leitschicht 2 trägt, und der Raster befindet sich auf der Schicht; er wirkt durch unmittelbare Übertragung, das Licht geht durch den Raster hindurch. Diese Koppler ergeben Kopplungen, deren Wirksamkeit insbesondere dadurch begrenzt ist, daß ein Teil des Lichtes durch das Substrat weitergeleitet wird, ganz unabhängig von der Rasterteilung.

Außerdem sind diese Koppler sehr schwer industriell herzustellen. Eine industrielle normale Fabrikation bedingt nämlich, daß man als Raster einendurch Kopie erhaltenen Raster benutzt; nun ist es aber sehr schwierig, ein Raster durch Kopie herzustellen, bei dem die Unterseite und die Oberfläche genau parallel sind. Deshalb sind die beiden Flächen der Schicht, an denen sich das Lieht wechselweise reflektieren soll, nicht parallel und die Bedingungen für die Ausbreitung des Lichtes durch aufeinanderfolgende Reflexionen längs der Schicht werden nicht erfüllt. Es ist damit praktisch notwendig, entweder den durch Kopie erhaltenen Raster zu überarbeiten bzw. zu retuschieren oder den -Raster unmittelbar auf der Schicht herzustellen. Außerdem kann man einen metallisierten Raster nicht benutzen, da der Raster durch Durchlässigkeit bzw. Übertragung wirken soll.

609822/0952

Man hat daran gedacht, die Wirksamkeit der Kopplung dadurch zu erhöhen, daß man das auf der Schicht angeordnete RastergeMet als Reflexionsraster wirken läßt, indem man es dann durch das Substrat hindurch beleuchtet; eine derartige Variante bleibt aber sehr schwierig industriell herzustellen, begrenzt die Wahl des Substrates auf ein zumindest lichtdurchlässiges Material und ist nicht geeignet, in Miniaturausführung hergestellt zu werden wegen der zusätzlichen Dicke, die das optische Element hat, das notwendigerweise auf der Fläche des Substrats vorhanden sein muß, die derjenigen Fläche entgegengesetzt liegt, welche die Schicht trägt. Nun besteht aber wegen der zahlreichen Anwendungen der Koppler in integrierten Schaltungen oder Anordnungen die Notwendigkeit, daß diese Koppler in Miniaturausführung vorhanden sind.

Die vorliegende Erfindung gestattet die Herstellung eines Kopplers, der eine maximale Kopplung ergibt, industriell herstellbar ist, miniaturisiert werden kann und einen metallisierten Raster benutzt. Die Erfindung gibt ebenfalls eine Beziehung zwischen der Teilung des Rasters und dem Winkel des einfallenden Strahles an, der zum Optimum der Wirksamkeit der Kopplung führt.

Die Erfindung ist anwendbar bei einem optischen Koppler mit einem Diffraktionsraster, der aus einem Substrat besteht, das mit einer optisch dünnen Schicht bedeckt ist, die geeignet ist, eine sich längs der Schicht fortpflanzende Lichtenergie einzuschließen und mit einem Raster, der das Licht unter einem Winkel

609822/09B2

in die Schicht hineinbeugt, der die Ausbreitung in der Schicht erlaubt. Gemäß der Erfindung ist der Rasterbereich als Reflexionsraster zwischen der Schicht und dem Substrat angeordnet-.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die das Maximum der Wirksamkeit der Kopplung ergibt, soll der Teilungsschritt a des Rasters und der Winkel Φ des einfallenden Lichtes mit der Normalen zu der Ebene des Rasters gleichzeitig die folgenden Beziehungen erfüllen, in denen bedeuten:

N den Brechungsindex des Substrats, η den Brechungsindex der dünnen Leitungsschicht, X die Wellenlänge des monochromatischen auffallenden Lichtes

a) für positive Werte von &

η + sin β

- sin β'

N + sin

b) für negative Werte von θ-

£ ^ η - sin θ-

sin Θ'

N - sin Θ-

809822/0952

Es wird später in Form eines Beispiels ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kopplers beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, in der darstellen:

Fig. 2 einen Schnitt durch den Koppler in einer

Ebene parallel zur Richtung der Ausbreitung der Lichtenergie in der Schicht;

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Wahl der Teilung des Rasters und des Winkels des auffallenden Lichtstrahles, die die optimalen Wirkungsbedingungen der Kopplung ergeben.

Der in der Fig. 2 veranschaulichte Koppler hat einen Träger 5, beispielsweise aus "Pyre?", auf dem eine Schicht 6 aufgebracht ist, die bei 7 metallisiert ist und von der ein Teil 8 einen Raster bildet. Diese metallisierte Schicht ist mit der dünnen Schicht 9 bedeckt, welche die ebene Wellenführung darstellt, welche die Lichtenergie einschließt.

Die Schicht 6, deren Dicke beispielsweise in der Größenordnung von 100 Mikron liegt, bildet einen Raster 9j der durch Kopie in einem Kunstharz erhalten wurde.

Der Originalraster kann beispielsweise durch einen holographischen Abdruck einer photosensiblen Substanz erhalten worden sein. Man kann selbstverständlich einen Ausgangsraster anstelle einer Rasterkopie benutzen. Der Raster kann außerdem auch in ein Metall oder in das Substrat graviert werden. Die Erfindung ist nicht auf ein spezielles Verfahren zur Herstellung des Rasters

609822/0952

beschränkt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß man alle bekannten Verfahren benutzen kann.

Die metallisierte Schicht 7 hat beispielsweise eine Dicke in der Größenordnung von βΟΟ A.

Die Schicht 9> Vielehe die Wellenleitung bildet, ist eine dielektrische Harzschicht, deren Dicke beispielsweise einige Mikron beträgt; sie wird durch Verdampfen oder durch Niederschlagen in einer Zentrifuge ("ä la tournette"), oder durch Kopie in situ in einem polyraerisierbaren Harz nach einem Verfahren erzeugt, wie es für Spiegelkopien (Zerdrücken eines Harztropfens durch einen ebenen Spiegel) benutzt wird.

Man hat gefunden, daß die besten Koppelbedingungen erhalten werden, wenn die Teilung a des Rasters und der Winkel -Θ- des einfallenden Lichtstrahles mit der Normalen zur Ebene des Rasters gewissen Beziehungen genügen, die durch die graphische Darstellung der Fig. 3 veranschaulicht sind. Die graphische Darstellung gibt in ihrer Abszisse χ = — und in ihrer Ordinate y = sinus Φ. Die besten Koppelbedingungen werden erhalten, wenn der charakteristische Punkt mit den Koordinaten x, y gleichzeitig liegt:

- einerseits rechts von den beiden Halbgeraden D, und D^ der folgenden Gleichungen: für y positiv y = 2 λ· χ - η, für y negativ y = η - 2 λ · χ, in denen λ die Wellenlänge des einfallenden monochromatischen Lichtes und η der Brechungsindex des Materials der Schichten 9 sind;

609822/0952

- andererseits rechts der von den beiden Halbgeraden Dh und Ώ\ mit entsprechenden Gleichungen: für y

positiv 7/ = η - λ · χ und für y negativ y = X ♦ y - n·

- schließlich zwischen den beiden Halbgeraden D₂ und D-, mit den entsprechenden Gleichungen: y = X * χ - N und y = X · >■ - η für positives y oder zwischen den beiden Halbgeraden D'p und D¹^₅ mit den entsprechenden Gleichungen: y = N - λ· χ und y = η - X · χ für negatives y, in denen N der Brechungsindex des Substrats (N = 1 für ein Metall) ist.

Diese Bedingungen führen dazu, daß man nur die charakteristischen Punkte von Koordinaten benutzt, die in den beiden schraffierten Zonen der graphischen Darstellung in Fig. 5 liegen; diese Zonen können äußere Konturen unterschiedlicher Formen annehmen, jeweils entsprechend den veränderlichen Werten von n, N und *X.

Dies bedingt, daß man für die Teilung a des Rasters und den Einfallwinkel Φ gleichzeitig die folgenden Beziehungen überprüft:

a) für positive Werte von €u

^ τ £ ⁿ + ^sin *

— >. η - sin β'

- > N + sin &

609822/0952

b) für negative Werte von -θ-

< τ < η - sin

-^n + sin β'

- > N- sin θ'

Unter diesen Bedingungen bestehen als freie Wellen die Wellen der Ordnung O, die auf der Schicht reflektiert werden und der Ordnung O, die in das Substrat übertragen werden. Die übertragene Welle mit der Ordnung 1 wird vollkommen in der Schicht eingeschlossen. Es handelt sich um eine Kopplung, die als "Rückwärtskopplung" (reverse coupling) bezeichnet wird.

Die Koppelbedingungen in der Ordnung q = 1, die das Vorhandensein von freien Wellen mit von q = 0 und q = 1 unterschiedlichen Ordnungen beseitigen, sind deutlich vorteilhaft für die Wirksamkeit der Kopplung der Raster mit einem nicht "abgestumpften" Profil.

Nach einer weiteren Besonderheit der Erfindung, die vorzugsweise mit den oben stehenden Bedingungen kombiniert wird,- benutzt man vorzugsweise einen Raster mit Treppenprofil, wie dies in der Ausführungsform gewählt wurde, die in der Zeichnung veranschaulicht ist.

Die Erfindung ist nicht auf die Wahl eines speziellen Substrates oder eines speziellen Materials für die Schicht beschränkt.

6098-22/0952

Der erfindungsgemäße Koppler ist insbesondere für die Analyse von biologischen Substanzen verwendbar, die auf die Lichtleitschieht aufgelegt werden, und außerdem für die Herstellung von Modulatoren.

609822/09B2

Claims

Ansprüche

fly Optischer Koppler mit einem Diffraktionsraster, der aus einem Substrat besteht, das mit einer optisch dünnen Schicht bedeckt ist, die geeignet ist, eine sich längs dieser Schicht ausbreitende Lichtenergie einzuschließen, und aus einem Rasterbereich, der geeignet ist, das Licht unter einem Winkel in die Schicht hineinzubeugen, der die Ausbreitung innerhalb der Schicht gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß der Rasterbereich als Reflezionsraster (8) zwischen der Schicht (9) und dem Substrat (5) angeordnet ist.
2. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung a des Rasters und der Winkel ■θ' des einfallenden Lichtes mit der Normalen zur Ebene des Rasters gleichzeitig die folgenden Bedingungen oder Gleichungen erfüllen, in denen bedeuten:

N den Brechungsindex des Substrats, η den Brechungsindex der dünnen Leitungsschicht, λ die Wellenlänge des einfallenden, monochromatischen Lichtes,

a) für positive Werte von Ό'

η + sin * . λ ^ _{n +}

-^n- sm Qf

- > N + sin

6098 22/095 2

b) für negative Werte von

^ £ < η - sin Q-

- > η + sin θ'

α ¹^

^λ ν

- ^ N - sin Θ'

5· Raster-Koppler nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raster ein durch Kopie erhaltener metallisierter Raster ist.

609822/0952

Leerseite