DE3220352C2

DE3220352C2 -

Info

Publication number: DE3220352C2
Application number: DE3220352A
Authority: DE
Inventors: Noboru Nishinomiya Hyogo Jp Yamamoto; Tetsuya Amagasaki Hyogo Jp Yamasaki
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1981-06-01
Filing date: 1982-05-28
Publication date: 1992-04-23
Also published as: JPS57198410A; JPH0133801B2; US4637681A; DE3220352A1; GB2102145A; FR2506957A1; CA1175270A; GB2102145B; FR2506957B1

Description

Die Erfindung betrifft eine ebene optische Schaltung (optical plane circuit). welche einen in einem transparen ten Substrat gebildeten Lichtwellenleiter und einen Licht koppler zur Verbesserung der Eingabe- und/oder Ausgabe eines Lichtstrahls in den Lichtwellenleiter bzw. aus diesem heraus umfaßt, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Schaltung.

Auf dem Gebiet optischer Kommunikationssysteme und optischer Informationsverarbeitungssysteme genießt eine ebene opti sche Schaltung, in welcher ein kleiner Lichtwellenleiter mit größerem Brechungsindex als dem eines transparenten Substrats an der Oberfläche oder innerhalb des Substrats zur Erzielung verschiedener Funktionen ausgebildet ist, be deutende Beachtung als kleine optische Schaltung. Wenn bei spielsweise eine Glasplatte als Substrat verwendet wird, kann bekanntlich ein eingebetteter (buried-type) Licht wellenleiter durch ein Ionenaustauschverfahren erhalten werden. Da angenommen wird, daß der Übertragungsverlust des auf diese Weise erhaltenen Lichtwellenleiters nur etwa 0,01 dB/cm beträgt, wird dieser Lichtwellenleiter als vielver sprechend angesehen. Wenn aber Ionenaustausch angewandt wird, ist der Querschnitt des Lichtwellenleiters in der Querrichtung größer als in der Vertikalrichtung. Aus diesem Grund wird bei direktem Anschließen einer optischen Faser od. dgl. an den Lichtwellenleiter der Anschlußverlust ver größert.

Aus der US 41 52 045 ist eine ebene optische Schaltung der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher der Lichtkoppler ein sogenannter Prismenkoppler ist, mit dessen Hilfe Licht zunächst von außen in das transparente Substrat und im Substrat in den Lichtwellenleiter von einer Oberseite des Lichtwellenleiters eingekoppelt wird.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden als Lichtkoppler eine Fokussierstablinse zu verwenden, die an einem in einer Seitenfläche des Substrats liegenden Ende des Lichtwellenleiters im Substrat angesetzt ist. Über diese Linse wird das Licht von außen in das Substrat im Bereich des Lichtwellenleiters eingekoppelt und im Lichtwellenleiter fortgeleitet.

Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung ist die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei eine mühsame Präzisionseinstellung eines Lichtwellenleiters auf den Lichtkoppler nicht erforderlich ist.

Vorteile der Erfindung sind:

a) Da der Lichtwellenleiter und der Lichtkoppler in einem einzigen Substrat ausgebildet sind, ist keine Montage dieser beiden optischen Schaltelemente und keine mühsame Präzisionseinstellung aufeinander erforderlich.
b) Der Lichtkoppler ist nicht größer als der Lichtwellenleiter, so daß die Gesamtschaltung kompakt gestaltet werden kann.
c) Es ist keine Verbindung zwischen dem Lichtwellenleiter und Lichtkoppler vorhanden, die einen Verbindungs- oder Anschlußverlust verursacht.
d) Der Kopplungswirkungsgrad wird nicht herabgesetzt, wenn der Querschnitt des Lichtwellenleiters sich weit entlang der Ebene des Substrats erstreckt.

Weitere Vorteile

Die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, bei welcher der Lichtkopp ler im Vergleich zu einem Lichtwellenleiter nicht groß zu sein braucht, wodurch die Gesamtschaltung kompakt gestaltet werden kann.

Die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und einem Verfahren zu ihrer Herstellung, bei welcher der Anschluß verlust wegen des Anschlusses eines Lichtwellenleiters an einen Lichtkoppler beseitigt wird.

Die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und einem Verfahren zu ihrer Herstellung, bei welcher der Kopplungswirkungsgrad nicht wesentlich verschlechtert wird, selbst wenn sich der Querschnitt in Querrichtung eines Lichtwellenleiters entlang der Ebene eines Substrats er streckt.

Die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Licht koppler und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, bei welchem die Eingabe und/oder Ausgabe eines Lichtstrahls in einen und/oder aus einem Lichtwellenleiter mit ausgezeichnetem Wirkungsgrad und mit Leichtigkeit durchgeführt werden kann.

Die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, bei welcher eine Vielzahl ebener optischer Schaltblöcke mit Leichtigkeit gekoppelt werden kann.

Die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtwellenleiter und einem Lichtkoppler mit einfachen Verfahrensschritten und Zuverlässigkeit.

Wesentlich bei der Erfindung nach Anspruch 1 ist, daß der Lichtkoppler eine Gradientenlinse umfaßt, die in dem transparenten Substrat ausgebildet ist und dazu dient, den Eingabe- und/oder Ausgabewirkungsgrad eines Lichtstrahls in den und/oder aus dem Lichtwellenleiter zu verbessern. Das Licht ist bereits in dem Substrat eingekoppelt und wird durch den Koppler in den Lichtwellenleiter eingekoppelt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an hand der Zeichnungen beschrieben, wobei zur Bezeichnung gleicher Teile in verschiedenen Ansichten die gleichen Be zugszeichen verwendet werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer herkömm lichen ebenen optischen Schaltung, welche einen Lichtkoppler mit einem Prisma umfaßt;

Fig. 2 eine schematische Teilseitenansicht einer bereits vorgeschlagenen anderen ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler, der eine Fokussierstab linse umfaßt;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer ebenen opti schen Schaltung mit einem Lichtkoppler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Herstellungs schritts der in Fig. 3 gezeigten ebenen opti schen Schaltung mit dem Lichtkoppler;

Fig. 5 eine Ansicht der Brechungsindexverteilung der Elemente der in Fig. 3 gezeigten ebenen opti schen Schaltung, worin Fig. 5A eine Ansicht der Brechungsindexverteilung des Lichtwellen leiters in der Richtung zeigt, welche von der Mittellinie der Oberfläche des Substrats im wesentlichen senkrecht abgeht, Fig. 5B das gleiche bei der Gradientenlinse in der Axial richtung zeigt und Fig. 50 das gleiche von der Gradientenlinse in der zu ihrer Axialrichtung senkrechten Richtung zeigt;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung;

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine andere Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung;

Fig. 8 eine Seitenansicht einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler gemäß einer anderen Ausführungsform;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Herstellungs schritts der in Fig. 8 gezeigten Schaltung;

Fig. 10 eine Ansicht der Brechungsindexverteilung der in Fig. 8 gezeigten Schaltung, worin Fig. 10A die Brechungsindexverteilung des Lichtwellen leiters in Richtung der Dicke (von der vorderen zur hinteren Fläche) des Substrats zeigt und Fig. 10B das gleiche für die Gradientenlinse in der Axialrichtung zeigt;

Fig. 11 eine Seitenansicht einer ebenen optischen Schal tung mit einem Lichtkoppler gemäß einer weite ren Ausführungsform;

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines Herstellungs schritts der in Fig. 11 gezeigten Schaltung;

Fig. 13 eine Draufsicht auf eine Schaltung gemäß noch einer anderen Ausführungsform;

Fig. 14 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Verbindung von zwei ebenen optischen Schaltungen mit Lichtkopplern; und

Fig. 15 eine Draufsicht auf eine ebene optische Schal tung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist ein Lichtwellenleiter 12 mit einem konstanten oder abgestuften Brechungsindex an der Vorder fläche des Substrats 11 ausgebildet. Prismen 13 und 14 sind an der Oberfläche des Lichtwellenleiters 12 mit zu diesem weisenden Bodenflächen angeordnet. Ein auf das Prisma 13 einfallender Lichtstrahl 15 fällt dann an der Bodenfläche des Prismas 13 auf den Lichtwellenleiter 12 unter einem Winkel R₁ ein, der etwas größer als der Totalreflektions winkel ist, und pflanzt sich dann innerhalb des Lichtwellen leiters 12 fort. Wenn der Lichtstrahl 15 die Bodenfläche des Prismas 14 erreicht, fällt er auf das Prisma unter ei nem Winkel R₂ ein und tritt dann nach außen aus.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ist ein Ende einer Fokussierstablinse 24 an einer Seitenfläche 23 eines Lichtwellenleiters 21 befestigt, welcher in die Oberflächenschicht eines Substrats 22 eingebettet ist. Die Gesamtlänge der Fokussierstablinse 24 ist so gewählt, daß sie ein ungerades Vielfaches von 1/4 der Lichtwellenlänge beträgt. Das andere Ende 25 der Fokussierstablinse 24 ist senkrecht zur Mittelachse ge schnitten und optisch poliert. Ein Lichtstrahl 26 fällt senkrecht auf dieses andere Ende 25 ein. Der Einfallwinkel des Lichtstrahls 26 wird durch eine (nicht gezeigte) Licht ausgabeeinrichtung gesteuert, ohne Veränderungen in der Stellung und Größe des Lichtflecks mit sich zu bringen, wel cher auf die Seitenfläche des Lichtwellenleiters einfällt.

Eine Ausführungsform einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler wird anhand der Fig. 3 bis 5 beschrie ben. Die ebene optische Schaltung mit einem Lichtkoppler, der eine in Fig. 3 gezeigte Gradientenlinse umfaßt, wird durch ein Verfahren hergestellt, das den in Fig. 4 gezeig ten Verfahrensschritt umfaßt.

In Fig. 4 ist eine Maske 33 mit einer Öffnung 32 an der Oberfläche eines transparenten Sub strats 31 ausgebildet, welches aus einer dielektrischen Substanz wie beispielsweise Glas oder Kunstharz besteht. Die Gestalt der Öffnung 32 ist ein lineares Muster, ein gekrümmtes Muster oder eine Kombination des linearen und gekrümmten Musters und verläuft als Band schmaler, konstanter Breite. Ein kreisförmiges Loch 34 ist in der Nachbarschaft des Abschlußendes der Öffnung 32 ausgebildet. Das Loch 34 braucht nicht an das Abschlußende der Öffnung 32 anzugrenzen. Der Abstand zwischen dem Loch 34 und dem Abschlußende der Öffnung 32 kann frei gewählt werden je nach der Größe und der benötig ten Funktion einer Gradientenlinse (graded index type lens). Ferner braucht das Loch 34 nicht rund zu sein, sondern kann eine Blockgestalt wie beispielsweise eine elliptische Ge stalt haben, je nach der benötigten Gestalt der Gradienten linse.

In dem nächsten Schritt werden Ionen von einer Diffusions quelle 35 durch die bandförmige Öffnung 32 und das Loch 34 in das Substrat 31 diffundiert, wodurch eine vorbestimmte Brechungsindexverteilung in dem Substrat 31 hergestellt wird, welche unten beschrieben wird.

Die Fig. 5A, 5B und 5C zeigen Beispiele für die Brechungsindexverteilungen der Schaltungselemente der in Fig. 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung. Fig. 5A zeigt die Brechungsindexverteilung eines Lichtwellenleiters 36 von Bandform in der Richtung, die von einer Mittellinie 37 der Oberfläche des Lichtwellenleiters 36 im wesentlichen senkrecht abgeht. In Fig. 5A nimmt der Brechungsindex all mählich in quadratischer Näherung ab, um eine insgesamt bogenförmige Verteilung zu bilden. Der Brechungsindex ver ändert sich nicht entlang der z-Achse entlang der Mittel linie 37.

Fig. 5B zeigt die Brechungsindexverteilung einer Gradien tenlinse entlang ihrer Axialrichtung (x-Achse oder die Rich tung der Dicke des Substrats 31) der in Fig. 3 gezeigten Schaltung. Der Brechungsindex nimmt in quadratischer Nähe rung allmählich ab von einer Vorderfläche 31a zu einer Rückfläche 31b des Substrats 31 und bildet eine insgesamt bogenförmige Verteilung.

Fig. 5C zeigt die Brechungsindexverteilung der Gradienten linse der in Fig. 3 gezeigten Schaltung, in der zur oben beschriebenen Axialrichtung senkrechten Richtung (die Brechungsindexverteilung an einem beliebigen Punkt x₀ auf der x-Achse entlang den y- und z-Achsen). Der Brechungs index nimmt in quadratischer Näherung allmählich ab in der von der Achse abgehenden Richtung und bildet eine insgesamt halbkreisförmige Verteilung.

Die vorgeschriebenen Brechungsindexverteilungen durch Diffusion der Ionen von der Diffusionsquelle 35 in dem Substrat 31 können durch die nachfolgend beschriebenen Ver fahren erhalten werden.

Gemäß dem ersten Verfahren wird ein transparentes Substrat 31 aus einer Glasplatte vorbereitet, die Ionen eines ersten Elements enthält, welches in der Lage ist, ein modifizier tes Oxydglas (modified oxideglass) zu bilden. Dann werden Ionen eines zweiten Elements in das transparente Substrat 31 diffundiert, welches zur Erhöhung des Brechungsindex in der Glasplatte mehr beiträgt als die Ionen des ersten Elements, und welches auch in der Lage ist, ein modifizier tes Oxydglas zu bilden, wodurch die Ionen des ersten Ele ments durch die des zweiten Elements ersetzt werden. Gemäß dem zweiten Verfahren wird ein transparentes Substrat eines Kunstharzes vorbereitet, welches ein transparentes Polymer ist. Ein Monomer, welches zur Copolymerisation mit diesem transparenten Polymer fähig ist, um den Brechungsindex zu erhöhen, wird in das transparente Substrat 31 diffundiert, um eine Copolymerisation des Monomers mit dem transparenten Polymer zu verursachen.

Wenn das transparente Substrat 31 ein optisches Glas "BK-7" ist (68,9 Gew.-% SiO₂, 10,1 Gew.-% B₂O₃, 8,8 Gew.-% Na₂O, 8,4 Gew.-% K₂O und 2,8 Gew.-% BaO), kann gemäß dem ersten Ver fahren die Diffusionsquelle 35 eine geschmolzene Salz mischung sein, die aus 30 Mol-% Tl₂SO₄, 40 Mol-% ZnSO₄ und 30 Mol-% K₂SO₄ besteht. Gemäß dem zweiten Verfahren kann die Diffusionsquelle 35 ein Vinylbenzoat-Monomer sein, wenn das transparente Substrat 31 ein Substrat ist, welches durch Hinzufügen von 30 Gew.-% Benzoyl-peroxid zu dem Allyl- Diglycol-Carbonatharz (sogenannten OR-39) vorbereitet und die Mischung zur Semipolymerisation erhitzt wird. Da diese Verfahren wohlbekannt sind, werden sie nicht weiter be schrieben.

Wenn parallele Lichtstrahlen 39 parallel zu der Vorderfläche 31a des Substrats 31 auf eine Seitenfläche der Gradienten linse 38 der in Fig. 3 gezeigten Schaltung einfallen, werden sie durch die Linse 38 fokussiert und treten an der gegenüberliegenden Seitenfläche aus. Die fokussierten Licht strahlen fallen dann auf den bandförmigen Lichtwellenleiter 36 ein. Verschiedene Abwandlungen können durch Wahl der Größe und des Brechungsindexgradienten der Linse 38 vorge nommen werden.

Fig. 6 ist eine Draufsicht, die eine Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung zeigt. In der in Fig. 6 gezeigten Schaltung ist die Gradientenlinse 38 nahe dem Lichtwellenleiter 36 im Abstand von diesem ausge bildet. Ferner ist die Gradientenlinse 38 größer als die in Fig. 3 gezeigte. In Fig. 6 werden zerstreute Licht strahlen 61 von einer kleinen Lichtquelle wie beispielsweise einem Halbleiterlaser oder einer LED oder von einer opti schen Faser oder dgl. auf den Lichtwellenleiter 36 mit gutem Wirkungsgrad fokussiert.

Fig. 7 ist eine Draufsicht, die eine andere Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung zeigt. In der in Fig. 7 gezeigten Schaltung ist der Durchmesser der Gradientenlinse 38 größer als der Durchmesser der in Fig. 3 gezeigten Linse. In Fig. 7 werden Lichtstrahlen 71, die sich innerhalb des Lichtwellenleiters 36 fortpflanzen, durch die Gradientenlinse 38 mäßig fokussiert und bilden einen Strahlfleck auf einer Lichtempfangseinrichtung 72 wie beispielsweise einer optischen Faser oder einem Foto detektor, die außerhalb der Schaltung angeordnet ist.

Anhand der Fig. 8 bis 10 wird nun eine andere Ausführungs form einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler beschrieben. Die Schaltung mit einem Lichtkoppler, der die in Fig. 8 gezeigte Gradientenlinse aufweist, wird nach einem Verfahren hergestellt, das den in Fig. 9 gezeigten Schritt umfaßt. In dieser Schaltung sind die Gradienten linse und der Lichtwellenleiter innerhalb des Substrats 31 eingebettet (buried).

Wie anhand von Fig. 4 beschrieben, wird in dem in Fig. 9 gezeigten Schritt die Maske 33 an der Oberfläche des trans parenten Substrats 31 ausgebildet. Ionen eines Elementes werden von der Diffusionsquelle 35 durch die Öffnung 32 und das Loch 34 diffundiert, um den Lichtwellenleiter 36 und die Gradientenlinse 38 zu bilden. Die Maske 33 wird durch Polieren oder Auflösen entfernt. Ionen von einer anderen Diffusionsquelle 81 werden durch die Vorderfläche 31a des Substrats 31 diffundiert, wie in Fig. 9 gezeigt, welche die Brechungsindizes des Lichtwellenleiters 36 und der Gradientenlinse 38 auf den Brechungsindex des transpa renten Substrats 31 vermindern. Dann sind der Lichtwellen leiter 91 und die Gradientenlinse 92 innerhalb des Sub strats 31 eingebettet oder vergraben.

Die Fig. 10A und 10B zeigen Beispiele für die Brechungs indexverteilungen von Schaltungselementen der auf diese Weise hergestellten Schaltung in Fig. 8. Fig. 10A zeigt die Brechungsindexverteilung des Lichtwellenleiters 91 der in Fig. 8 gezeigten Schaltung in der Richtung von der Vorderfläche 31a zu der Rückfläche 31b des Substrats 31. Der Brechungsindex nimmt von der Vorderfläche 31a zu der Rückfläche 31b allmählich zu und nimmt dann von einer Be zugsachse 93 ab und bildet eine insgesamt halbkreisförmige Verteilung. Andererseits zeigt Fig. 10B die Brechungsindex verteilung der in Fig. 8 gezeigten Schaltung in der Axial richtung der Gradientenlinse 92 (x-Achse oder die Richtung der Dicke des Substrats 31). Der Brechungsindex nimmt zu erst von der Vorderfläche 31a zu der Rückfläche 31b des transparenten Substrats 31 zu und nimmt dann von der Bezugs achse 93 ab und bildet eine halbkreisförmige Gesamtvertei lung. Die Brechungsindexverteilung in der zur Achse der Gradientenlinse 92 senkrechten Richtung ist ähnlich der in Fig. 5C gezeigten.

Anhand der Fig. 11 und 12 wird nun noch eine andere Ausführungsform einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler beschrieben. Die Schaltung mit einem Licht koppler, der eine Gradientenlinse aufweist, wie in Fig. 11 gezeigt, wird durch ein Verfahren hergestellt, das einen in Fig. 12 gezeigten Schritt umfaßt. Wie in der in Fig. 8 gezeigten Schaltung sind bei der in Fig. 11 gezeigten Schaltung die Linse und der Wellenleiter in dem Substrat eingebettet.

In dem in Fig. 12 gezeigten Schritt werden der Lichtwellen leiter 36 und die Gradientenlinse 38 innerhalb des transpa renten Substrats 31 auf die anhand von Fig. 4 beschriebene Art gebildet. Danach wird die Maske 33 durch Polieren oder Auflösen entfernt. Dann werden Masken 111 und 112, die ähnliche Formen wie die Öffnung 32 und das Loch 34 der Maske 33 aufweisen, an der Vorderfläche 31a des Substrats 31 in Ausrichtung auf den Lichtwellenleiter 36 und die Gradienten linse 38 gebildet. Ionen von der Diffusionsquelle 81, wel che dazu dienen, die Brechungsindizes des Lichtwellenleiters 36 und der Gradientenlinse 38 auf den Brechungsindex des transparenten Substrats 31 zu vermindern, werden in das Substrat 31 von seiner Vorderfläche 31a aus diffundiert. Da die Ionen auch zu den Rückseiten der Masken 111 und 112 diffundiert werden, werden ein Lichtwellenleiter 121 und eine Gradientenlinse 122 innerhalb des transparenten Sub strats 31 eingebettet (vergraben).

Die auf diese Weise hergestellten Elemente der in Fig. 11 gezeigten Schaltung weisen Brechungsindexverteilungen halbkreisförmiger Gestalt nahe quadratischer Annäherung auf, welche den in Fig. 10A und 10B gezeigten ähnlich sind. Die Verteilungen der in Fig. 11 gezeigten Schaltung sind symmetrischer als die in den Fig. 10A und 10b gezeigten.

Wenn das transparente Substrat 31 in den in den Fig. 4, 9 und 12 gezeigten Schritten eine Glasplatte ist, kann eine Ionenaustauschbehandlung unter Anwendung eines elektrischen Feldes durchgeführt werden, um auf diese Weise den Licht wellenleiter und die Gradientenlinse tiefer unter der Vorderfläche des Substrats zu vergraben, die für die Ionen austauschbehandlung benötigte Zeit zu verkürzen oder eine Brechungsindexverteilung der gewünschten Gestalt zu erhal ten.

In den in den Fig. 3, 8 und 11 gezeigten Ausführungs formen ist in dem transparenten Substrat 31 nur eine Gra dientenlinse ausgebildet. Es können aber auch zwei oder mehr Gradientenlinsen gebildet werden. Fig. 13 zeigt eine ebene optische Schaltung mit einem Lichtkoppler gemäß noch einer anderen Ausführungsform, bei welcher mehr als eine Gradientenlinse gebildet werden. Bei der in Fig. 13 gezeigten Schaltung werden eine Gradientenlinse 131a mit großer nume rischer Öffnung und eine andere Gradientenlinse 131b mit kleiner numerischer Öffnung durch Veränderung der Größe des Loches 34 oder dgl. gebildet. Aus diesem Grund können unter großem Einfallswinkel α₁ auf die Linse einfallende Licht strahlen 132 in Lichtstrahlen mit kleinem Einfallswinkel α₂ umgewandelt werden, welche dann in den Lichtwellenlei ter 36 einfallen.

Fig. 14 zeigt ein Beispiel für die Verbindung ebener opti scher Schaltungen 141 und 142. Wenn in Fig. 14 die Licht kopplung zwischen Gradientenlinsen 38a und 38b an einer flachen Nahtstelle 143 durch parallele Lichtstrahlen 144 bewerkstelligt wird, kann die genaue Einstellung aufeinan der leicht erzielt werden, was zu kleinem optischen Ver lust führt. In Fig. 14 sind mit den Bezugszeichen 36a und 36b Lichtwellenleiter bezeichnet.

Fig. 15 zeigt eine ebene optische Schaltung mit einem Lichtkoppler gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mehrere Gradientenlinsen und Lichtwellenleiter in einem einzigen Substrat aufweist. Gemäß diesem Ausführungsbei spiel sind bei einem der Lichtwellenleiter 36 die Gradien tenlinsen 38 an beide Enden angeschlossen, wogegen bei ande ren Lichtwellenleitern 36 die Gradientenlinsen 38 nur an je ein Ende angeschlossen sind, während die anderen Enden der Wellenleiter mit den anderen Lichtwellenleitern 36 ver bunden sind. In Fig. 15 können die Größen, die Funktionen und relative Stellungen der Gradientenlinsen, ferner die Formen der Lichtwellenleiter usw. willkürlich mit hoher Präzision gewählt werden mittels Masken verschiedener For men, womit eine hohe Integration zugelassen wird.

Obwohl Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen anhand der Zeichnungen beschrieben worden sind, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen be schränkt ist, und daß verschiedene Veränderungen und Ab wandlungen von einem Fachmann daran vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und dem Rahmen der Erfindung abzuweichen, welche durch die Ansprüche definiert sind.

Claims

1. Ebene optische Schaltung mit einem Lichtkoppler, in welcher ein Lichtwellenleiter in einem transparenten Substrat ausge bildet ist, wobei der Lichtkoppler den Eingangs- und/oder Ausgangswirkungsgrad eines Lichtstrahls in den und/oder aus dem Lichtwellenleiter verbessert, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtkoppler eine Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 92, 122, 131a, 131b) umfaßt, die in dem transparenten Substrat (31) ausgebildet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens entweder der Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b) oder die Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 131a, 131b) an einer Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) freiliegt.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens entweder der Lichtwellenleiter (91, 121) oder die Gradientenlinse (92, 122) so in das transparente Substrat (31) eingebettet ist, daß dieser oder diese nicht an der Ober fläche (31a) desselben freiliegt.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b) von der Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) aus betrachtet ein schmales Band von konstanter Breite umfaßt.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b, 91, 121) von der Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) aus be trachtet ein lineares Muster umfaßt.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b, 91, 121) von der Ober fläche (31a) des transparenten Substrats (31) aus betrachtet ein gekrümmtes Muster umfaßt.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b, 91, 121) von der Ober fläche (31a) des transparenten Substrats (31) aus betrachtet eine Kombination eines linearen Musters und eines gekrümmten Musters umfaßt.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 92, 122, 131a, 131b) von der Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) aus betrachtet kreisförmig ist.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 92, 122, 131a, 131b) von der Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) aus betrachtet elliptisch ist.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 92, 122, 131a, 131b) an ein Ende des Lichtwellenleiters (36, 36a, 36b, 91, 121) an grenzend ausgebildet ist.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38) nahe einem Ende des Lichtwellen leiters (36) in einem Abstand zu diesem ausgebildet ist.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b) an der Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) freiliegt und der Brechungsindex des Lichtwellenleiters (36, 36a, 36b) in einer Richtung, die radial von einer Mittellinie (37) der Ober fläche (31a) des transparenten Substrats (31) abgeht, kontinuierlich mit quadratischer Näherung abnimmt.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 131a, 131b) an der Ober fläche (31a) des transparenten Substrats (31) freiliegt und der Brechungsindex von der Oberfläche (31a) zu der dazu ent gegengesetzt liegenden Oberfläche (31b) des transparenten Substrats (31) in einer Axialrichtung der Gradientenlinse kontinuierlich mit quadratischer Näherung abnimmt.

14. Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 131a, 131b) an der Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) freiliegt und der Brechungsindex in einer radialen, von der Achse der Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 131a, 131b) abweichenden Richtung kontinuierlich mit quadratischer Näherung abnimmt, um eine halbkreisförmige Gesamtverteilung zu bilden.

15. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (91, 121) innerhalb des transparenten Substrats (31) unterhalb der Oberfläche (31a) eingebettet ist und der Brechungsindex des Lichtwellenleiters (91, 121) in einer von der Oberfläche (31a) dazu entgegengesetzt liegenden Oberfläche (31b) des transparenten Substats (31) zuerst kontinuierlich zunimmt und dann abnimmt, um eine halbkreis förmige Gesamtverteilung zu bilden.

16. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (92, 122) innerhalb des transparenten Substrats (31) unterhalb dessen Oberfläche (31a) eingebettet ist und der Brechungsindex in der Axialrichtung der Gradienten linse (92, 122) zuerst kontinuierlich zunimmt und dann ab nimmt, um die insgesamt halbkreisförmige Verteilung zu bilden.

17. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (92, 122) innerhalb des transparenten Substrats (31) unterhalb von dessen Oberfläche (31a) einge bettet ist und der Brechungsindex in einer Richtung radial zu der Achse der Gradientenlinse (91, 122) kontinuierlich in quadratischer Näherung abnimmt, um die halbkreisförmige Ver teilung zu bilden.

18. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Lichtwellenleitern in dem transparenten Substrat (31) ausgebildet ist.

19. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Gradientenlinsen (38, 38a, 38b, 131a, 131b) in dem transparenten Substrat (31) ausgebildet ist.

20. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende des Lichtwellenleiters (36) eine erste Gradientenlinse (131b) ausgebildet ist, und daß auf einer von dem Ende des Lichtwellenleiters (36) abgekehrten Seite der ersten Gradientenlinse (131b) eine zweite Gradientenlinse (131a) ausgebildet ist.

21. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gradientenlinse (131b) größer ist als die zweite Gradientenlinse (131a).

22. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Lichtwellenleitern (36) in dem transpa renten Substrat (31) ausgebildet ist und jedes Ende jedes Lichtwellenleiters (36) einer Gradientenlinse (38) oder einem anderen Lichtwellenleiter benachbart ist.

23. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Lichtwellenleiters (36, 36a, 36b, 91, 121) in seiner Längsrichtung der gleiche bleibt.

24. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere transparente Substrate (31), von denen jedes einen Lichtwellenleiter (36a, 36b) und eine Gradienten linse (38a, 38b) aufweist, derart aneinandergesetzt sind, daß an einander gegenüberliegenden Seitenflächen benachbarter transparenter Substrate (31) die Gradientenlinsen (38a, 38b) dieser benachbarten Substrate (31) einander gegenüberliegen.

25. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Substrat ein Glassubstrat umfaßt, das Ionen eines ersten Elements enthält, welches in der Lage ist, ein modifiziertes Oxidglas zu bilden, und daß der Lichtwellen leiter (36, 36a, 36b, 91, 121) und die Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 92, 122, 131a, 131b) einen Bereich umfaßt, in welchem durch Diffusion Ionen des ersten Elements durch Ionen eines zweiten Elements ersetzt werden, wobei die Ionen des zweiten Elements eine größere Tendenz haben, den Brechungs index der Glasplatte zu erhöhen, als die Ionen des ersten Elements und in der Lage sind, ein modifiziertes Glasoxid zu bilden.

26. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Substrat (31) eine Kunstharzplatte eines transparenten Polymers umfaßt, und daß der Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b, 91, 121) und die Gradientenlinse (38, 38b, 92, 122, 131a, 131b) einen Bereich umfassen, der durch Ein diffundieren eines Monomers in die Kunstharzplatte gebildet ist, wobei das Monomer durch Kopolymerisation mit dem Polymer den Brechungsindex des Polymers erhöht.

27. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 92, 122, 131, 131b) neben einer Seitenfläche des transparenten Substrats (31) aus gebildet ist.

28. Verfahren zur Herstellung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b) und einem Licht koppler zum Ein- und/oder Auskoppeln von Licht in dem oder aus dem Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b), wobei auf einer Oberfläche (31a) eines transparenten Substrats (31) eine Diffusionsmaskenschicht (33) mit einer bandförmigen Öffnung (32) gebildet wird, wobei durch die bandförmige Öffnung (32) ein den Brechungsindex des transparenten Substrats (31) erhöhender Diffusionsstoff (35) unter die Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) diffundiert und dadurch der Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b) im transparenten Substrat (31) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Diffusionsmaskenschicht (33) gegenüber einem Ende der bandförmigen Öffnung (32) ein Loch (34) gebildet wird, und daß durch das Loch (34) der Diffusionsstoff unter die Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) diffundiert und dadurch eine den Lichtkoppler bildende Gradientenlinse (38, 38a, 38b, 131a, 131b) im transparenten Substrat (31) ge bildet wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Substrat (31) eine Glasplatte umfaßt, die Ionen eines ersten Elements enthält, welches in der Lage ist, ein modifiziertes Glasoxid zu bilden, und daß der Diffusions stoff (35) Ionen eines zweiten Elements enthält, welches dazu beiträgt, den Brechungsindex der Glasplatte mehr als die Ionen des ersten Elements zu erhöhen, und welches in der Lage ist, ein modifiziertes Oxidglas zu bilden.

30. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Substrat (31) eine Kunstharzplatte aus einem transparenten Polymer umfaßt, und daß die Diffusions quelle ein Monomer enthält, welches mit dem Polymer kopoly merisiert, um dessen Brechungsindex zu erhöhen.

31. Verfahren zur Herstellung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtwellenleiter (91, 122) und einem Lichtkoppler zum Ein- und/oder Auskoppeln von Licht in den oder aus dem Lichtwellenleiter,
wobei auf einer Oberfläche (31a) eines transparenten Substrats (31) eine erste Diffusionsmaskenschicht (33) mit einer band förmigen Öffnung (32) gebildet wird,
wobei durch die bandförmige Öffnung (32) der ersten Diffusions maskenschicht (33) ein den Brechungsindex des transparenten Substrats (31) erhöhender erster Diffusionsstoff (35) unter die Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) diffundiert und dadurch ein bandförmiger Bereich mit erhöhtem Brechungsindex unter der Oberfläche (31a) des Substrats (31) erzeugt wird,
wobei die erste Diffusionsmaskenschicht (33) von dem Substrat (31) entfernt wird,
wobei unter die Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) ein den Brechungsindex des transparenten Substrats (31) vermindernder zweiter Diffusionsstoff (81) diffundiert und dadurch der Lichtwellenleiter (91, 122) in Form eines im Substrat (31) vergrabenen Lichtwellenleiters gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Diffusionsmaskenschicht (33) gegenüber einem Ende der bandförmigen Öffnung (32) der ersten Diffusionsmasken schicht (33) ein Loch (34) gebildet wird, und daß durch das Loch (34) der erste Diffusionsstoff (35) unter die Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) diffundiert und dadurch eine den Lichtkoppler bildende Gradientenlinse (92, 122) im Substrat (31) gebildet wird.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) eine zur ersten Diffusionsmaskenschicht (33) komplementäre zweite Maskenschicht gebildet wird, welche die von der ersten Diffusionsmaskenschicht (33) unabgedeckt belassenen Bereiche der Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) abdeckt und den von der ersten Diffusionsmaskenschicht (33) abgedeckten Bereich der Oberfläche (31a) des Substrats freiläßt, und daß der zweite Diffusionsstoff (81) unter den von der zweiten Maskenschicht (111, 112) freien Bereich der Oberfläche (31a) des transparenten Substrats (31) diffundiert wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Substrat (31) eine Glasplatte umfaßt, und daß als Diffusionsstoff (35, 81) Ionen in das transparente Substrat (31) in Gegenwart eines die Diffusion der Ionen be schleunigenden elektrischen Feldes diffundiert werden.