DE3431605C2 - - Google Patents
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
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- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Wellenleitersystem
gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein
solches Wellenleitersystem findet Anwendung und ist
geeignet beispielsweise für einen mit hoher optischer
Dichte arbeitenden Aufzeichnungskopf.
Ein Wellenleitersystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Patentanspruch 1 ist bekannt (US-PS 44 25 023). Ein
Ausführungsbeispiel dieses bekannten Wellenleitersystems
ist in Fig. 5 der beiliegenden Zeichnung dargestellt. In
Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Substrat, das
Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Lichtwellenleiter, die
Bezugszeichen 3 und 4 bezeichnen prismatische Koppler,
das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine kammartige Elektrode,
das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Kondensorlinse und
das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein Aufnahmemedium. Ein
kollimierter Laserstrahl 8 wird durch den eingangsseitigen
prismatischen Koppler 3 auf den Lichtwellenleiter 2
gerichtet, wird durch eine durch die kammartige Elektrode
5 erzeugte elastische Oberflächenwelle 9 abgelenkt und
tritt aus dem ausgangsseitigen prismatischen Koppler 4
aus. Das austretende Lichtbündel 10 bildet mittels der
Kondensorlinse 6 auf der Fläche des Aufnahmemediums 7
einen Lichtfleck 13. Im Hinblick auf die Lichtstärkeverteilung
des austretenden Lichtbündels 10 ist zu sagen,
daß die Lichtstärkeverteilung in der in Fig. 5 gezeigten
Meridionalrichtung y normalerweise nicht von der Lichtstärkeverteilung
des einfallenden Laserstrahls 8 differiert.
Wie jedoch in Fig. 6 dargestellt ist, wird die
Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels 10,
betrachtet in einer xz-Ebene, annähernd zu einer
Verteilung, deren eine Flanke einer Exponentialfunktion
gehorchend abfällt. In Fig. 7 (A) zeigt diese
Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels für
einen Fall, in dem LiNbO₃ mit eindiffundiertem Ti als
Lichtwellenleiter verwendet wird, ein prismatischer TiO₂-
Koppler auf dem Lichtwellenleiter angeordnet ist und He-
Ne-Laserlicht mit einer Bündelbreite von 6 mm und einer
Gauß-Verteilung der Lichtstärke in den Koppler 3 eingeleitet
wird. Auf diese Art und Weise liegt in der
Meridionalrichtung eine Gauß-Verteilung und in der anderen
Richtung, nämlich der Sagittalrichtung Zr der
Kondensorlinse eine einseitige Exponentialverteilung vor.
Ein Lichtfleck, der durch einen mit hoher Dichte aufzeichnenden
optischen Kopf erzeugt wird, soll die folgenden
Forderungen erfüllen, um die Energiedichte des
Lichtflecks zu verbessern und eine hochdichte Aufzeichnung
zu erreichen:
- 1) die Fleckgröße soll sehr klein sein;
- 2) die Spitzenintensität, d. h. der Maximalwert der
Lichtstärkeverteilung im Lichtfleck, soll sehr hoch sein;
und - 3) die Form des Lichtflecks soll etwa kreisförmig sein.
Die Lichtstärkeverteilung eines Lichtflecks, der durch
Fokussierung des aus dem Wellenleitersystem gemäß Fig. 5
austretenden Lichtbündels mittels der Kondensorlinse 6
erzeugt wird, ist nun aber in meridionaler und sagittaler
Richtung unterschiedlich, wie in Fig. 7 (B) dargestellt
ist. Das in Fig. 5 dargestellte optische Wellenleitersystem
leidet unter dem Nachteil, daß es die für eine
hochdichte Aufzeichnung geltenden Forderungen nicht
befriedigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsbildende
Wellenleiterystem dahingehend weiterzubilden,
daß die Spitzenintensität möglichst hoch ist und die Form
des Lichtflecks der Kreisform möglichst nahekommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das optische
Wellenleitersystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird im Wellenleitersystem das diesen
durchlaufende Licht derart durch geeignete Mittel beeinflußt,
daß die Lichtstärkeverteilung des aus dem Koppler
austretenden Lichtbündels bestimmte Bedingungen erfüllt,
die wiederum nach der Fokussierung durch die Kondensorlinse
einen weitgehend kreisförmigen Lichtfleck mit
hoher Spitzenintensität zur Folge haben. Bei den hierzu
eingesetzten Mitteln handelt es sich vorzugsweise um eine
Zwischenschicht mit einem bestimmten Brechungsindex
zwischen dem Lichtwellenleiter und dem prismatisch
ausgebildeten Koppler oder um die Ausbildung des Kopplers
als Gitter-Koppler. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den
Zeichnungen dargestellt und werden im folgeden näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten
Auführungsbeispiels des Wellenleitersystems,
Fig. 2 die Abhängigkeit des Maximalwertes der Lichtstärkeverteilung
bei dem Wellenleitersystem gemäß Fig. 1
von Parametern β und γ,
Fig. 3 (A) und (B) Darstellungen der Lichstärkeverteilung
des austretenden Lichtbündels und des Lichtflecks
bei dem Wellenleitersystem gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform
eines herkömmlichen Wellenleitersystems,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Lichtstärkeverteilung
des austretenden Lichtbündels bei dem Wellenleitersystem
gemäß Fig. 5 und
Fig. 7 (A) und (B) weitere Darstellungen der Lichtstärkeverteilung
des austretenden Lichtbündels und des
Lichtflecks bei dem herkömmlichen optischen Wellenleitersystem
gemäß Fig. 5.
Die Koordinaten und Koordinatensysteme sind für die folgenden
Ausführungsbeispiele in gleicher Weise definiert
wie in den Fig. 5 bis 7.
Bezugnehmend auf Fig. 1, die eine schematische
Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der
Erfindung ist, bezeichnet das Bezugszeichen 11 ein
Substrat, das Bezugszeichen 12 einen Lichtwellenleiter,
das Bezugszeichen 13 eine Zwischenschicht, das Bezugszeichen
14 einen prismatischen Koppler, das Bezugszeichen
16 eine Kondensorlinse und das Bezugszeichen 17 ein
Aufnahmemedium. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die
Zwischenschicht 13, die einen Brechungsindex hat, der
niedriger ist als die Brechungsindices des Lichtwellenleiters
12 und des prismatischen Kopplers 14, zwischen
dem prismatischen Koppler 14 und dem Lichtwellenleiter 12
angeordnet. Wenn die Zwischenschicht 13 vorgesehen ist,
erfolgt die Auskopplung des Wellenleiterlichts 24 zum
prismatischen Lichtsammler 14 allmählich, wird die Länge
der Koppelstrecke vergrößert, und erfolgt der Abfall der
Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels 25 in
Richtung Zr weniger steil.
Entsprechend werden die Steilheiten, mit denen die
Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtstrahls in
den Richtungen y und Zr abfällt, in ihren Größenordnungen
einander gleich, und die Form eines durch die
Kondensorlinse 16 konzentrierten Lichtflecks wird
annähernd zu einem Kreis. Um einen Lichtfleck einer
solchen annähernd kreisförmigen Form zu erzielen, ist es
wünschenswert, daß, wenn die Bündelbreite in Meridionalrichtung
y des aus dem Wellenleiter austretenden Lichts
2R und der Radius der Pupille der Kondensorlinse R ist,
die Koppellänge derart festgelegt ist, daß die Breite der
Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels 25 in
Sagittalrichtung Zr ungefähr 2R beträgt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Lichtstärkeverteilung
des aus dem Koppler 14 austretenden und in die
Kondensorlinse 16 eintretenden Lichtstrahls 25 in
Meridionalrichtung y vom Gauß-Typ. Die Lichtstärkeverteilung
in Sagitallrichtung Zr ist in der Eintrittspupille
der Kondensorlinse 16 eine Verteilung mit einer
einseitigen Exponentialfunktion und durch die folgenden
Gleichungen gegeben:
Für Zr γ,
Für Zr < γ
f = 0 (2)
wobei R der Radius der Eintrittspupille der
Kondensorlinse 16 ist, α ein Parameter ist, der die
Steilheit der Gauß-Verteilung in Meridionalrichtung y
bestimmt, β ein Parameter ist, der die Steilheit der
Exponentialfunktion in Sagittalrichtung Zr bestimmt,
γ die Zr-Koordinate des Maximalwertes der Lichtstärkeverteilung
in der Eintrittspupille der Kondensorlinse 16,
und C eine Normierungskonstante ist. Der Lichtstrahl am
Maximum der Lichtstärkeverteilung kommt von dem in Fig. 1
gezeigten Ende 26 des Kopplers 14. Die y-Koordinate des
Maximalwertes ist Null. Die Bündelbreite des
Strahlbündels ist 2R. Die Bündelbreite ist dabei
definiert durch den Abfall der normierten Lichtstärke auf
den Anteil 1/e².
Die Normierungskonstante C wurde derart variiert, daß die
Gesamtlichtmenge des aus dem prismatischen Koppler 14 mit
der Zwischenschicht 13 des ersten Ausführungsbeispiels
austretenden Lichtbündels immer konstant war. Die
Parameter β und γ wurden variiert und die Optimalwerte
der Parameter β und γ wurden errechnet. Fig. 2 ist eine
graphische Darstellung der Anhängigkeit des Maximalwertes
der Lichtstärkeverteilung des durch die Kondensorlinse 16
gebildeten Lichtflecks von den Parametern β und γ. In
Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen 31, 32 und 33 Kurven,
bei denen die Maximalwerte 2,4 bzw. 2,3 bzw. 2,1 sind,
falls die Gesamtlichtmenge des Lichtbündels 100 beträgt.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Maximalwert am größten
wird, wenn die Parameter β und γ in folgenden
Bereichen liegen:
1.2R β 1.4R (3)
-0.9R γ -0.7R (4)
Entsprechend werden die Koppellänge des Kopplers 14 und
der Zwischenschicht 13 und die Stellung der Kondensorlinse
16 derart vorgesehen, daß die vorstehenden
Bedingungen (3) und (4) erfüllt sind, wodurch ein
Lichtfleck mit optimaler Lichtstärkeverteilung erzielt
wird. Die Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels,
falls die Parameter β und γ in den durch die
Bedingungen (3) und (4) vorgegebenen Bereichen liegen,
ist in Fig. 3 (A) dargestellt. Die Lichtstärkeverteilung
des Lichtflecks, der aus dem Lichtbündel mittels der
Kondensorlinse fokussiert wird, ist in Fig. 3 (B)
dargestellt. Wie aus den Fig. 3 (A) und (B) hervorgeht,
sind die Lichtstärkeverteilung des austretenden
Lichtbündels in der Eingangspupille der Kondensorlinse
verhältnismäßig gleichförmig, die Form des Lichtflecks
kreisförmig, der Maximalwert hoch und die Größe des
Lichtflecks sehr klein.
Die Werkstoffe des beschriebenen Wellenleitersystems sind
beispielsweise folgende: Das Substrat 11 besteht aus
LiNbO₃, in das zur Bildung des Wellenleiters 12 Ti
eindiffundiert worden ist. Die Zwischenschicht 13 besteht
aus Al₂O₃ und hat eine Dicke von 1200 Å. Der Koppler 14
besteht aus TiO₂ und hat einen Neigungswinkel von 50°.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die
Verteilung des Lichtes im Wellenleiter derart, daß sich
das Licht weitgehend nur nahe der Oberfläche des
Lichtwellenleiters ausbreitet. Deshalb wurde ein
Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Koppellänge
durch die Zwischenschicht justiert wird, die einen niedrigeren
Brechungsindex als der Lichtwellenleiter hat, um
so eine Vergrößerung der Koppellänge des prismatischen
Kopplers zu erreichen. Wenn sich Licht jedoch auch in
einem Bereich tief unter der Oberfläche des
Lichtwellenleiters ausbreitet, wie es beispielsweise in
einem Lichtwellenleiter aus LiNbO₃ mit herausdiffundiertem
Li möglich ist, ist es im Gegensatz zum oben
beschriebenen Ausführungsbeispiel notwendig, die Kopplung
des prismatischen Kopplers zu stärken und seine
Koppellänge zu verringern. Dazu könnte eine dünne
Zwischenschicht mit einem Brechungsindex größer als dem
Brechungsindex des Lichtwellenleiters benutzt werden, um
die Koppellänge zu justieren. Auch muß bei dem ersten
Ausführungsbeispiel die Dicke der Zwischenschicht nicht
immer konstant sein, sondern sie kann beispielsweise in
konischer Form variieren, und zwar in Richtung der
Fortpflanzung des Wellenleiterlichts, um dadurch die
erwünschte Koppellänge zu erhalten.
Im folgenden wird Bezug auf Fig. 4 genommen, um ein zweites
Ausführungsbeispiel zu beschreiben. In Fig. 4
bezeichnet das Bezugszeichen 41 ein Substrat, das
Bezugszeichen 42 einen Lichtwellenleiter, das Bezugszeichen
46 eine Kondensorlinse, das Bezugszeichen 47 ein
Aufnahmemedium, das Bezugszeichen 44 ein Wellenleiterlicht,
das Bezugszeichen 45 ein austretendes Lichtbündel
und das Bezugszeichen 43 einen Gitter-Koppler. Bei diesem
zweiten Ausführungsbeispiel ist somit der beim ersten
Ausführungsbeispiel benutzte prismatische Koppler durch
einen Gitter-Koppler 43 ersetzt.
Der Modulationsgrad des Gitter-Kopplers 43 ist nicht auf
einen solchen Fall beschränkt, bei dem er gleichförmig
ist, sondern er kann so ausgebildet sein, daß er schrittweise
in Fortpflanzungsrichtung des Lichtes im Wellenleiter
variiert, wodurch eine erwünschte Koppellänge
erreicht wird.
Der im zweiten Ausführungsbeispiel gezeigte Gitter-
Koppler kann mit niedrigeren Kosten hergestellt werden
als der prismatische Koppler des ersten Ausführungsbeispiels.
Claims (5)
1. Optisches Wellenleitersystem mit einem Lichtwellenleiter,
einem Koppler zur Auskopplung von Licht aus dem
Lichtwellenleiter und einer zur Fokussierung des aus dem
Koppler austretenden Lichtbündels zu einem Lichtfleck
vorgesehenen Kondensorlinse, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erreichung eines kreisförmigen Lichtflecks mit hoher
Spitzenintensität Mittel (13, 43) vorgesehen sind, mit
denen erreicht wird, daß das Maß β der Steilheit der
Exponentialfunktion
die in Sagittalrichtung Zr der Kondensorlinse (16, 46)
für Zr γ die Lichtstärkeverteilung des mit der
Bündelbreite 2R in Meridionalrichtung y der
Kondensorlinse in diese eintretenden Lichtbündels (25,
45) beschreibt, die Bedingung1,2 R β 1,4 Rerfüllt
und daß die Zr-Koordinate γ des Maximalwertes der
genannten Lichtstärkeverteilung die Bedingung-0,9 R γ -0,7 Rerfüllt,
wobei die y-Koordinate des Maximalwertes Null ist, wobei
der Ursprung des Zr-y-Koordinatensystems im Mittelpunkt
der Pupille der Kondensorlinse (16, 46) liegt und wobei
die Pupille der Kondensorlinse den Radius R hat.
2. Optisches Wellenleitersystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler ein prismatischer
Koppler (14 ist und daß eines der Mittel eine zwischen
dem Koppler (14) und dem Lichtwellenleiter (12)
angeordnete Zwischenschicht (13) mit einem Brechungsindex
ist, der niedriger ist als der des Lichtwellenleiters
(12).
3. Optisches Wellenleitersystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der
Zwischenschicht (13) sich konisch in
Fortpflanzungsrichtung des Lichtes im Lichtwellenleiter
(12) verjüngt.
4. Optisches Wellenleitersystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß als eines der Mittel der
Koppler als Gitter-Koppler (43) ausgebildet ist.
5. Optisches Wellenleitersystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des Lichtes
durch den Gitter-Koppler (43) sich in
Fortpflanzungsrichtung des Lichtes im Lichtwellenleiter
(42) ändert.
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