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Dünnfilmlinse mit einer integrierten
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optischen Struktur Die Erfindung bezieht sich auf eine Dünnfilmlinse,
wie sie bei integrierten optischen Strukturen verwendet wird.
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In der US-Patentanmeldung 228 744 ist bereits anstel-1 e einer herkömmlichen
Koalescenzpunkt-Abtasteinrichtung, die einen sich drehenden Polygonspiegel verwendet,
einKoalescenzpunkt -labtastelement vorgeschlagen worden, das eine integrierte optische
Struktur verwendet und keine mechanisch beweglichen Teile hat. Bei dieser integrierten
optischen Struktur sind, wie in Fig. 1 der Zeichnung gezeigt ist, ein optischer
Koppler 4, der einen Prismakoppler aufweist, eine Doppelkammeiektrode 5 und eine
Dünnfilmlinse 6 auf einer Dünnfilm-|fellenführung 3 vorgesehen, die in planarer
Form auf einem Substrat 2 in der XZ-Ebene aufgebracht ist. Ein durch die Wellenführung
3 geleiteter Lichtstrahl L2 wird durch eine elastische Ultraschall-Oberflächenwelle
W, die von der auf einem Teil der Wellenführung 3 vorgesehenen Doppelkammelektrode
5 erregt wird, gebeugt und abgelenkt, und wird zu einem Lichtstrahl L3. Der abgelenkte
Lichtstrahl 13 wird von der Dünnfilmlinse 6 derart kondensiert,
daß
er einen Koalescenzp.(Verschmelzungspunkt) S an der Austritts-Endfläche 7 der Wellenführung
3 bildet. Die Endfläche 7 liegt an einer Stelle, die im wesentlichen mit der Brennebene
der Dünnfilmlinse übereinstimmt, die eine Brechkraft in der XZ-Ebene parallel zu
der Wellenführung 3 hat; der kondensierte Lichtstrahl L4 wird an oder in der Nähe
der Endfläche 7 in X-Richtung im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des Lichtstrahls kondensiert und tritt aus der Endfläche aus. Die Verteilung des
Lichts in Y-Richtung senkrecht zur XZ-Richtung ist durch die Dicke d der Wellenführung
3 begrenzt. Die Dicke d ist gewöhnlich einige µm; deshalb breitet sich der aus der
Endfläche austretende Lichtstrahl mit einer Öffnung von einigen zehn Grad aufgrund
des Beugungseinflusses aus.
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Bei einem derartigen integrierten optischen Aufbau wird die Frequenz
der an die Doppelkammelektrode 5 angelegten Hochfrequenzspannung variiert, so daß
sich die Wellenlänge der elastischen Ultraschall-Oberflächenwelle W ändert, die
sich auf der Wellenführung 3 ausbreitet, wodurch der Ablenkwinkel des Lichtstrahls
L3 gesteuert wird und eine Woalescenzpwmkt-Abtastuna auf der A ustrit ts endfläch
e 7 ausgeführt wird. Der integrierte optische Aufbau 1 entsprechend diesem Ausführungsbeispiel
ist kompakt aufgebaut, da die Lichtablenkeinrichtung und eine Kondensorlinse auf
demselben Substrat vorgesehen sind und ein Koalescenz»-(Verschmelzungspunkt) S auf
oder in der Nähe der Austrittsendfläche 7 der Wellenführung 3 gebildet und abgetastet
wird.
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Im Folgenden sollen die Bauteile der integrierten optischen Struktur
im einzelnen erläutert werden. Das Substrat 2 kann in geeigneter Weise aus einem
Material hergestellt werden, das einen piezoelektrischen Effekt hat, und durch das
sich Ultraschallwellen hoher Frequenz mit hohem Wirkungsgrad ausbreiten können;
das Substrat 2 sollte wünschenswerterweise aus LiNbO3 (Lithiumniobat), LiTaO3 (Lithiumtantalat)
oder ZnC (Zinkoxid) sein. Wenn das Substrat 2 aus Lithiumniobat besteht, wird hinsichtlich
der
Wellenführung 3 Titan bei hohen Temperaturen von etwa 10000C
aufgebracht und in einer Dicke von einigen pm auf dem Substrat 2 niedergeschlagen.
Wenn das Substrat 2 aus Lithiumtantalat hergestellt ist, kann die Wellenführung
3 durch Eindiffundieren von Niob oder Titan erhalten werden.
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Ferner sind weitere Kombinationen möglich, es ist jedoch vorzuziehen,
daß die Wellenführung 3 aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex und einem
großen Brechungsindex-Unterschied zum Substrat 2 besteht, und in der Lage ist, Licht
zu leiten, sogar wenn die ellenführung 3 dünn ausgeführt ist. Der hohe Brechungsindex
der cllenführune 3 erlaubt, daß der auf der Endfläche 7 von der Dünnfilmlinse 6
gebildete Verschmelzungspunkt 5 einen sehr geringen Punktdurchmesser hat, d.h. daß
der Punkt sehr scharf ist. Als Dünnfilmlinse 6 ist einetSode--Indexlinse, eine Luneburg-Linse
oder eine geodesische Linse geeignet, wie sie in iEEE-Quantumelektronik, Bd. QE-13,
S. 129, 1977, (die bei D.1V. Vakey und Van E, Wood) beschrieben ist. Bei einem integrierten
optischen Aufbau 1, bei dem keine Ablenkung erforderlich ist, wird die Doppelkammelektrode
5 nicht benötigt und es kann ein anderer Photokoppler 4 verwendet werden.
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Bei der vorstehend beschriebenen Dünnfilmlinse, bei der ein Brechungsindex-Unterschied
verwendet wird, muß der Brechungsindex der DünnfilmiXnse 6 höher als der Brechungsindex
der Wellenführung 3 sein, die die untere Schicht der Dünnfilmlinse 6 ist. Die folgenden
beiden Beispiele können als typische Beispiele für derartige Dünnfilmlinsen 6 betrachtet
werden. Bei einem ersten Beispiel wird als Material für die Dünnfilmlinse 6 Ta2O5
(Tantalpentoxid) verwendet, dessen Brechungsindex n für Licht mit der Wellenlänge
633 nm 2,1 ist, wenn das Material der Wellenführung 3 Corning 7059-Glas ist, dessen
Brechungsindex n zwischen 1,55 und 1,62 liegt und wenn das Material des Grundsubstrats
2 SiC2 (geschmolzener Quarz) ist, dessen Brechungsindex n 1,147 beträgt. Bei einem
zweiten Beispiel wird als Material für die Dünnfilmlinse 6 As2S3 (Arsentrisulfid)
ver-
wendet, dessen Brechungsindex 2,37 ist, wenn das Material der
Wellenführung 3 Ti:LiNbO3 (titandiffundiertes Lithiumniobat) ist, dessen Brechungsindex
n 2,22 ist, und wenn das Material des Substrats 2 Lithiumniobat ist, dessen Brechungsindex
n 2,2 ist.
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Im Fall des ersten Beispiels jedoch ist das Corning 7059-Glas, aus
dem die Wellenführung 3 besteht, kein piezoelektrisches Material, so daß keine elastischen
Ultraschall-Oberflächenwellen erzeugt werden können. Dieses Material kann folglich
nicht für die integrierte optische Struktur des bereits beschriebenen Koalescenz.
-Abtastelements verwendet werden, so daß seine Anwendung als Funktionselement begrenzt
ist.
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Im Falle des zweiten Beispiels ist es andererseits bekannt, daß Arsentrisulfid,
aus dem die Dünnfilmlinse 6 besteht, eine Photoempfindlichkeit aufweist (S.A. Keneman,
J.O.S.A. 68 (pa78) 32). Dies hat den Nachteil, daß die Stabilität der Linsencharakteristik
schlecht ist. Ferner wird durch das geringe Verhältnis der Brechungsindizies von
Arsentrisulfid und Lithiumniobat verhindert, daß eine Linse mit kleiner Blendenzahl,
d.h. eine lichtstarke Linse hergestellt werden kann.
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Ps ist Aufgabe der Erfindung, eine Dünnfilmlinse für eine integrierte
optische struktur zu schaffen, die lichtstark ist und eine stabile Linsencharakteristik
hat. Ferner soll eine Dünnfilmlinse für eine integrierte optische Struktur geschaffen
werden, die stabile Linsencharakteristiken hat und die in einem Element, wie einem
Koalescenzpunkt-Abtast element, das elastische Oberflächenwellen verwendet, verwendet
werden kann.
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Bei der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben dadurch gelöst,
daß eine Dünnfilmlinse einer integrierten optischen Struktur durch eine Dünnfilm-Wellenführung,
die durch Eindiffundieren von Titan in ein Substrat aus Lithium-
niobat
hergestellt worden ist, und eine auf der Wellenführung gebildete Dünnfilmlinse aus
Titanoxid aufgebaut ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf.die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 perspektivisch
ein Beispiel für ein Koalescenzpunkt- -Abstastelement nach dem Stand der Technik,
das zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, Fig. 2 einen Querschnitt
durch eine Luneburg-Linse, die eine bei der vorliegenden Erfindung verwendbare Dünnfilmlinse
ist, Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Aufbau einer Diinnfilmlinse bei einem
Ausführungsbeispiel, bei dem die vorliegende Erfindung auf eine Luneburg-Linse angewendet
wird, Fig. 4 die Amplitudenverteilung des elektrischen Felds, wenn sich Licht durch
das innere der Dünnfilmlinse ausbreitet, und Fig. 5 schematisch ein Verfahren zur
Herstellung einer Luneburg-Linse bei der vorliegenden Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung verwendet als Material einer auf einer
'lellenführung 3 gebildeten Dünnfilmlinse Titanoxid (TiO) mit einem Brechungsindex
n, das bisher verbreitet für dünne optische Filme, wie beispielsweise Antireflexionsfilme
für Linsen oder für Spiegel verwendet worden ist. Der Brechungsindex n von Titanoxid
liegt zwischen 2,4 und 2,5; dieser Bereich ist für Dünnfilmlinsen ausreichend hoch;
aufgrund der Erfahrung mit diesem material bei der VerwenduIlg für konventionelle
optische dünne Filme kann gesagt werden, daß die Stabilität dieses Materials bei
Verwendung als Dünnfilmlinsen ausreichend ist. Aufgrund der
vorstehend
beschriebenen Beziehung zwischen den Brechungsindizies ergibt sich, daß als Wellenführung
3 Lithiumniobat (I,iNbO3) mit eindiffundiertem Titan (Ti) als Dünnfilm-Wellenführung
verwendet werden kann.
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Die erfindungsgemäße Kombination von Titanoxid und Lithiumniobat
mit eindiffundiertem Titan für die Dünnfilmlinse 6 und den Dünnfilm-ellenführunsweg
3 kann verglichen mit der herkömmlichen Kombination von Arsentrisulfid (As2S3) und
Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan eine Linse mit kleiner Blendenzahl, d.h.
eine Linse mit hoher Lichtstärke als Dünnfilmlinse 6 realisieren, da die Proportion
der Brechungsindizes der Dünnfilmlinse 6 und der ellenführung 3 relativ anwachsen.
Dies soll im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 für den Fall erläutert werden,
daß die vorliegende Erfindung bei einer Luneburg-Linse angewendet wird.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Luneburg-Linse, die eine
Dünnfilmlinse ist, bei der die Differenz der Brechungsindizes verwendet wird. Eine
Dünnfilmlinse 6 erhebt sich auf einer Wellenführung 3, die auf einem Substrat 2
gebildet ist, in Form einer Scheibe. Wenn Licht L3, das sich durch die Wellenführung
3 unter wiederholter Totalreflexion ausgebreitet hat, die Dünnfilmlinse 6 erreicht,
breitet es sich durch das Innere der Dünnfilmlinse 6 aus und tritt wieder in die
Wellenführung 3 ein, da der Brechungsindex der Dünnfilmlinse 6 größer als der Brechungsindex
der Wellenführung 3 ist.
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Andererseits ist es bekannt, daß die folgende Relation zwischen dem
tatsächlichen effektiven Brechungsindex ne, der sich für das durch das Innere der
Dünnfilmlinse 6 ausgebreitete Licht ergibt (auch im folgenden als tatsächlicher
effektiver Brechungsindex der Linse bezeichnet)Jund dem Brechungsindex n2 des Materials
der Dünnfilmlinse 6 besteht: ne = n2 sinG ... (1)
Ilierbei ist #
der Reflexionswinkel, mit dem sich das Licht durch die Dünnfilmlinse 6 ausbreitet
(siehe Fig. 2). Aus Gleichung (1) ergibt sich die Relation, daß der tatsächliehe
effektive Brechungs-index ne der Linse nicht größer als der Brechungsindex n2 des
Materials ist, aus dem die Dünnfilmlins 6 besteht: - n2 .... (2) Der Maximalwert
des tatsächlichen effektiven Brechungsindex ne, der für eine Luneburg-Linse mit
einer Blendenzahl von 1,8 erforderlich ist, die beispielsweise auf einer ;tJellenführung
3 hergestellt werden soll, die aus Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan besteht,
ist 2,442, wenn mit den in .H. Southwellßs Artikel (J.O.S.A. 67 (1977) 1010) angegebenen
mathematischen Ausdrücken gerechnet wird.
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wenn Titanoxid als Material der Dünnfilmlinse 6 verwendet wird, wird
die Beziehung von Gleichung (2) erfüllt, da der Brechungsindex n2 von Titanoxid
2,45 ist; wenn jedoch Arsentrisulfid als Material der Dünnfilmlinse 6 verwendet
wird, wird es unmöglich, eine Luneburg-Linse mit einer Blendenzahl von 1,8 unter
Verwendung von Arsentrisulfid herzustellen, da der Brechungsindex n2 dieses Materials
etwa 2,37 ist, Wenn folglich eine tellenführung 3 verwendet wird, die aus Lithiumniobat
mit eindiffundiertem Titan besteht, wird es möglich, eine Dünnfilmlinse mit einer
kleineren Blendenznhl als die herkömmlicher 1. ins en aufgrund der Verwendung von
Titanoxid als Material der Dünnfilmlinse 6 herzustellen.
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Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Aufbaus der Dünnfilmlinse 6 bei
einem lkusführungsbeispiel der Erfindung, bei der eine TE-Mode-Luneburg-Linse mit
einer Blendenzahl von 1,8 (wie vorstehend beschrieben) mit einem Radius von 3 mm
und einer Brennweite von 10,8 mm unter Verwendung von Titanoxid als Material der
Dünnfilmlinse 6, Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan als Wellenführung 3 und
Lithiumniobat als Substrat 2 hergestellt worden ist. Die in Fig. 3 gezeigte Querschnittsform
ist mit den in dem Artikel von .H. Southwell angegebenen Ausdrücken berechnet worden.
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Ferner hat die vorliegende Erfindung verglichen mit herkömmlichen
Dünnfilmlinsen, die eine Kombination aus Arsentrisulfid und Lithiumniobat verwenden,
den Vorteil, daß die Genauigkeit des Brechungsindex und der Filmdicke, die für die
Wellenführung 3 erforderlich ist, und die bei der Herstellung der Dünnfilmlinse
6 eine Rolle spielt, gesenkt ist.
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Fig. 4 zeigt die Amplitudenverteilung des elektrischen Feldes, wenn
sich Licht durch das Innere der Dünnfilmlinse 6 ausbreitet. Die Amplitudenverteilung
ist mit den Maxwell-Gleichungen berechnet worden. Die Dünnfilm-Wellenführung 3 ist
aus Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan hergestellt worden. Die ausgezogene
Linie I gibt die Amplitudenverteilung des elektrischen Felds an, wenn Titanoxid
als Material der Dünnfilmlinse 6 verwendet wird; die gestrichelte Linie II gibt
die Verteilung an, wenn Arsentrisulfid als P.5,aterial der Dünnfilmlinse 6 verwendet
wird.
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Wie vorstehend beschrieben, ist der Brechungsindex von Titanoxid höher
als der Brechungsindex von Arsentrisulfidl deshalb tritt das elektrische Feld mit
einer geringeren Amplitude in die Wellenführung 3 ein, wenn Titanoxid verwendet
wird (siehe Fig. 4). Folglich ist die Dünnfilmlinse weniger anfällig auf Einflüsse
der Iblellenführung 3, wenn sie aus Titanoxid hergestellt worden ist, und die Genauigkeit
des Brechungsindex und der Filmdicke, die für die ellenführung 3 erforderlich ist,
und die bei der Herstellung der Dünnfilmlinsc 6 eine schwerwiegende Rolle spielt,
ist geringer.
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Das für das Substrat 2 und die Wellenführung 3 bei der vorliegenden
Erfindung verwendete Lithiumniobat hat piezoelektrische Eigenschaften; deshalb erzeugt
es mit hohem Wirkungsgrad elastische Ultraschall-Oberflächenwellen mit hoher Frequenz
und kann in hervorragender Weise für ein Koalescenp -Abtastelement gemäß Fig. 1
oder dgl. verwendet werden.
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Im Folgenden soll ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Dünnfilmlinse 6 beschrieben werden. Fig. 5 zeigt schematisch
das Verfahren zur Herstellung einer Luneburg-Linse, bei der die vorliegende Erfindung
angewendet wird, mittels eines Aufdampfverfahrens.
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jenen bei dem Aufdampfverfahren der Abstand zwischen der Aufdampfwelle
und dem Substrat 2 ausreichend groß verglichen mit dem Durchmesser der Dünnfilmlinse
6 ist, und die Aufdamjfwelle genau unterhalb des Substrats 2 angeordnet ist, fliegen
die zu der Filmdicke beitragenden aufgedampften Teilchen in senkrechter Richtung
zum Substrat 2. Wenn folglich eine Maskenplatte mit einer Dicke von 0,2 mm oder
weniger mit einem Öffnungswinkel C, der die Beziehung ç = 360 t(r)'tO (Grad) für
jeden Wert von r erfüllt, wobei t(r) die Filmdicke einer zentralsymmetrischen I,uneburglinse
in Radialrichtung r und t0 die Filmdicke in der Mitte ist, verwendet wird und der
mittelpunkt der Öffnung der T,askenynlatte mit dem Dittelpunkt der Dünnfilmlinse
6 in Übereinstimmung gebracht wird und die Waskenplatte und das Substrat relativ
zueinander während des Aufdampfvorgangs gedreht werden, wird es möglich, eine Dünnfilmlinse
mit der gewünschten Filmdicke und dem gewünschten Aufbau zu erhalten. Fig. 5 zeigt
die Anordnung während der Herstellung der Dünnfilmlinse; eine Maskenplatte 10 ist
an einem nicht gezeigten Substrathalter, der einen Drehmechanismus hat, befestigt
und das Substrat 2 darauf gelegt. Die r'!askenplatte 10 hat eine im wesentlichen
wärmegefcrmte Öffnung 11, die entsprechend der genauen Berechnung geschnitten ist,
durch die der Aufdampfluß der Titanoxidteilchen hindurchgeht.
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Die Dünnfilmlinse kann nicht nur mit einem Aufdampfverfahren hergestellt
werden, sondern sie kann auch mittels Sputtern oder Ionenimplantation hergestellt
werden. Als Maskenverfahren kann auch ein Verfahren verwendet werden, bei dem eine
Vielzahl von D5askenplatten mit kreisförmigen Öffnungen mit einer bestimmten Dicke
von wenigen Millimetern oder mehr und einer Querschnittsöffnung oder eine Vielzahl
von Naskenplatten, von denen jede eine kreisförmige
Öffnung hat
mit dem Substrat verwendet werden.
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-.lie vorstehend beschrieben worden ist, weist die Diinnfilmlinse
der erfindungsgemäßen integrierten optischen Struktur eine Dünnfilmlinse aus Titanoxid
auf, die auf einem ):Jellenführungsw eg aus Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan
aufgebracht ist; die Dünnfilmlinse führt zu einer lichtstarken Linse mit kleiner
Blendenzahl und hat zudem den Vorteil, daß die Genauigkeit des Brechungsindex und
der Filmdicke des Wellenführungswegs gesenkt wird. Die Dünnfilmlinse kann mit großen
Vorteilen für ein Element wie beispielsweise ein Koalescenzpunkt-Abstastelement
bei dem eine elastische Oberflächenwelle verwendet wird, verwendet werden.
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ine Dünnfilmlinse aus Titanoxid ist auf einer Dünn.
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film-Wellenführung aufgebracht, die durch Sindiffundieren von Titan
auf ein Substrat aus Lithiumniobat hergestellt wird; hierdurch erhält man eine Dünnfilmlinse
für eine integrierte optische Struktur, die lichtstark ist, deren Linseneharakteristik
stabil ist, und die eine weite Vcrwendung als Funktionselement erlaubt.