DE3921406C2

DE3921406C2 - Optische integrierte Schaltung zur Ein- und Auskopplung von Licht

Info

Publication number: DE3921406C2
Application number: DE3921406A
Authority: DE
Inventors: Atsuko Fukushima; Yasuo Hira; Hidemi Sato; Kazumi Kawamoto; Kenchi Ito; Masataka Shiba; Akira Arimoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2009-06-30
Also published as: US5070488A; DE3921406A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische integrierte Schaltung zur Ein- und Auskopplung von Licht.

Konventionelle, in Bereichen wie der optischen Informationsverarbeitung und bei optischen Übertragungssystemen verwendete optische Komponenten weisen massive Elemente wie Linsen, Prismen und Gitter auf, die mechanisch zusammengebaut werden. Da die genannten optischen Komponenten große Außenabmessungen besitzen, können sie der Forderung nach Größenverkleinerung nicht entsprechen. Weiter sind sie teuer. Weil außerdem der Zusammenbau durch mechanisches Verbinden erfolgt, sind die genannten optischen Komponenten im Langzeitgebrauch nicht betriebssicher, und auch ihre Zuverlässigkeit ist unzureichend. Wegen dieser verschiedenen Probleme ist in den letzten Jahren die Idee einer optischen integrierten Schaltung (optische IC) mit einer Vielzahl von integrierten Einheiten auf einem einzelnen Substrat in die Diskussion gebracht worden, um eine ins Gewicht fallende Reduktion der Abmessungen und der Kosten optischer Komponenten zu erforschen. Dabei umfaßt eine optische IC optische Komponenten, die durch Integration einer Fotodetektorvorrichtung, einer Lichtemissionsvorrichtung, einer Linse des Wellenleitertyps (Dünnfilmtyp) und eines Gitters auf einem einzelnen Substrat erzeugt werden.

Eine der Komponenten des optischen IC ist ein Gitterkoppler, bei dem es sich um ein in einem Lichtleiter gebildetes Wellenleiterbeugungsgitter handelt. Der Gitterkoppler wirkt in der Weise, daß er einen Lichtstrahl auf den Lichtleiter einfallen sowie den Lichtstrahl aus dem Lichtleiter austreten läßt. Der Gitterkoppler ist somit ein Schlüsselelement des optischen IC.

Konkrete Entwurfsverfahren für den vorerwähnten Gitterkoppler werden diskutiert beispielsweise bei: J. H. Harris, et al. "Theory and Design of Periodic Couplers", Appl. Opt., 11, 10 (1972), and T. Tamir and S. T. Peng, "Analysis and Design of Grating Couplers", Appl. Phys., 14, (1977). Was die in einen optischen IC integrierten optischen Komponenten mit Verwendung eines Gitterkopplers anbetrifft, werden Beispiele für deren Anwendung im optischen Kopf von optischen Plattengeräten in den Dokumenten JP-A-61-85641 und JP-A-61-296540 beschrieben.

Aus DE 36 25 327 ist eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung bekannt, bei der zur Messung der relativen Lage von zwei Objekten zwischen eine feststehende Strahlungsquelle und eine feststehende optisch integrierte Schaltung ein bewegbares Gitter angeordnet ist. Die optisch integrierte Schaltung dieser Positionsmeßeinrichtung hat zwei in Längsrichtung des beweglichen Gitters versetzte Einkoppelgitter, über die vom Gitter gebeugte Teilstrahlenbündel in einen Koppler eingespeist und dort zur Interferenz gebracht werden. Die interferierenden Teilstrahlenbündel werden von den Ausgängen des Kopplers über Lichtwellenleiter den Detektoren zugeführt, die sie in zueinander phasenverschobene elektrische Signals umwandeln. Die Auswertung der Phasenverschiebung dieser elektrischen Signale liefert das Maß der Bewegung des Gitters und damit der Positionsänderung von relativ zueinander verschiebbaren Maschinenbauteilen.

Wenn als Lichtquelle ein Halbleiterlaser benutzt wird, tritt bei Vorrichtungen gemäß dem genannten Stand der Technik das folgende Problem auf. Die Wellenlänge des von einem Halbleiterlaser emittierten Lichts ändert sich typischerweise wegen der Ungleichmäßigkeit der Betriebstemperatur und des Herstellungsverfahrens bei der Fabrikation des Halbleiterlasers. Wenn die ausgesandte Wellenlänge nicht eine einzelne ist, wird der Einfallswinkel, mit dem der Strahl in den Lichtleiter eintreten kann, durch den Gitterkoppler geändert, was das Problem der Verringerung des Wirkungsgrades der Einfallskopplung zur Folge hat. Weiter tritt das Problem auf, daß sich der Strahlungswinkel in der gleichen Weise wie oben beschrieben ändert, wenn ein Gitterkoppler an der Austrittsseite verwendet wird.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische integrierte Schaltung zu schaffen, bei der sich die Schaltungseigenschaften nicht sehr verändern und der Wirkungsgrad der Ein- bzw. Auskopplung auch dann hoch ist, wenn sich die Wellenlänge des Laserlichts ändert und/oder wenn ein Mehrmoden-Halbleiterlaser verwendet wird.

Dieses Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch Beugung von Laserlicht mit einem eigens zum Zwecke der Aberrationskorrektur vorgesehenen Gitter erreicht. Gemäß einem besonderen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Gitterperiode des oben beschriebenen Gitters zur Aberrationskorrektur vorzugsweise so festgesetzt, daß sie annähernd die Bragg'sche Bedingung in bezug auf eine bestimmte Wellenlänge des Halbleiterlaserlichtes erfüllt.

Aufgrund der charakteristischen Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung werden die folgenden betrieblichen Wirkungen erreicht. Im Falle der Änderung der Wellenlänge λ des Halbleiterlaserstrahls von λ (0) nach λ (1) (wobei λ (0)<λ (1), wird eine starke Kopplung des Lichtes an den Lichtleiter nur dann verursacht, wenn der Einfallswinkel α zum Gitterkoppler jeweils α (0) und α (1) entsprechend λ (0) und λ (1) ist. Ist kein Aberrationskorrekturgitter vorhanden, nimmt die Wirksamkeit der Einfallskopplung ab, weil sich der Einfallswinkel zum Gitterkoppler selbst dann nicht ändert, wenn sich die Wellenlänge ändert. Deshalb ist ein Gitter zur Aberrationskorrektur vorhanden, um die Gitterperiode D und den Neigungswinkel δ passend zu machen. Für Strahlen mit Wellenlängen von jeweils λ (0) und λ (1) können daher die Beugungswinkel des Aberrationskorrekturgitters jeweils auf bestimmte spezifische Winkel δ (0) und δ (1) festgesetzt werden. Die Winkel δ (0) und δ (1) brechen an der Übergangsfläche zum Substrat, was Einfallswinkel α (0) und α (1) zum Gitterkoppler zur Folge hat. Auch wenn sich die Wellenlänge des Halbeiterlaserlichtes ändert, können deshalb die Einfallswinkel zum Gitterkoppler auf die Werte α (0) bzw. α (1) entsprechend λ (0) und λ (1) gebracht werden, so daß eine durch die Veränderung der Wellenlänge des Laserstrahls verursachte Verringerung der Wirksamkeit der Einfallskopplung verhindert werden kann. Ferner kann auch eine Aberration, wie die chromatische Aberration, verhindert werden. Um Licht hoher Lichtstärke zu erzielen ist es wichtig, die Größe D so zu definieren, daß das Aberrationskorrekturgitter die Bragg'sche Bedingung in bezug auf mindestens eine Wellenlänge bei Strahlen von λ (0) bis λ (1) befriedigt, weil andernfalls eine Beugung in der Nähe der Bragg'schen Bedingung eintritt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen ausführlicher erläutert:

Fig. 1 stellt ein Aufbaudiagramm dar, das eine Ausführungsform eines optischen integrierten Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 stellt eine Schnittansicht durch ein Aberrationskorrekturgitter dar, das in einem optischen integrierten Schaltkreis gemäß der Erfindung verwendet wird.

Fig. 3 stellt eine Schnittansicht eines anderen Aberrationskorrekturgitters dar, das in einem optischen integrierten Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Fig. 4 bis 6 zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei stellt Fig. 4 eine Schrägansicht eines optischen integrierten Schaltkreises mit Fokussierungseinrichtung in hybrider Form, Fig. 5 eine Schrägansicht eines linearen orthogonalen Koordinatensystems zur Erläuterung der Ausführungsform und Fig. 6 eine Schrägansicht zur Veranschaulichung eines Lichtablenkungseffektes dar, der durch einen optischen Deflektor bewirkt wird.

Fig. 7a und 7b zeigen eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der es sich um eine optische integrierte Schaltung handelt, die eine Kombination eines Gitterkopplers und einer Fresnel-Linse umfaßt. Dabei stellt Fig. 7a eine Schnittansicht der dritten Ausführungsform, und Fig. 7b eine Draufsicht auf die dritte Ausführungsform dar.

Fig. 8 bis 11 veranschaulichen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt Fig. 8 eine Schnittansicht eines Eingangsgitterkopplers, der eine rechteckige Gitterform besitzt. Fig. 9 stellt eine Schnittansicht eines Eingangsgitterkopplers mit einer gezackten Gitterform dar. Fig. 10 stellt eine Schnittansicht eines Austrittsgitterkopplers dar, der eine rechteckige Gitterform besitzt. Fig. 11 stellt eine Schnittansicht eines Ausgangsgitterkopplers dar, der eine gezackte Gitterform besitzt.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben.

Bezugnehmend auf Fig. 1 werden als Substrat 1 LiNbO₃-Kristalle verwendet. In der Nähe einer Oberfläche des Substrates werden ein Lichtleiter 2 und ein Gitterkoppler 3 mit einem Brechungsindex geformt, der etwas größer als derjenige des Substrates ist. Anschließend werden parallele Glasblöcke 5 und 5′ so geformt, daß ein von einem Halbleiterlaser emittierter Strahl auf das Substrat 1 einfällt. Ein Gitter 6 zur Korrektur der Aberration wird zwischen die Glasblöcke 5 und 5′ eingefügt.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der in Fig. 1 dargestellten optischen integrierten Schaltung gemäß der Erfindung beschrieben. Gemäß Fig. 1 ist der Gitterkoppler 3 ein Beugungsgitter mit geradlinigen gleichmäßigen Formen. Ein Einfallswinkel α des auf den Gitterkoppler 3 einfallenden Laserstrahls steht mit der Gitterteilung Λ des Gitters, dem effektiven Brechungsindex N des Lichtleiters 2, dem Brechungsindex n_s des Substrates 1 und der Wellenlänge λ des Halbleiterlasers 4 wie folgt in Beziehung:

Gemäß dieser Beziehung ist der Einfallswinkel α einzig in bezug auf die Wellenlänge λ definiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher das Aberrationskorrekturgitter 6 dazu bestimmt, die Verringerung der Wirksamkeit der Einfallskopplung zu vermeiden, selbst dann, wenn sich die Wellenlänge des Halbleiterlasers 4 ändert. Das bedeutet, daß die Gitterperiode d und der Einfallswinkel δ des Aberrationskorrekturgitters 6 passend gemacht werden, wenn sich die Wellenlänge des Halbleiterlasers 4 von λ (0) nach λ (1) verändert hat (wobei λ (0)<λ (1) ist). Infolgedessen können die Beugungswinkel des Aberrationsgitters 6 in bezug auf Strahlen mit Wellenlängen von jeweils λ (0) und λ (1) auf jeweils spezifische Winkel γ (0) und γ (1) festgesetzt werden. Selbst wenn sich die Wellenlänge des Halbleiterlasers 4 ändert, können die Einfallswinkel des Gitterkopplers den Werten von α (0) bzw. α (1) entsprechend λ (0) und λ (1) gleichgemacht werden. Es ist somit möglich, das Absinken des Wirkungsgrades der Einfallskopplung sowie die Aberration, wie etwa die chromatische Aberration, zu vermeiden, die durch eine Veränderung der Wellenlänge des Laserlichtes verursacht wird. Im folgenden werden konkrete Beispiele für die Gitterperiode d und den Einfallswinkel δ des Aberrationskorrekturgitters beschrieben.

Zuerst wird an d die Bedingung gestellt, die Gleichungen (2) und (3) so zu erfüllen, daß Licht mit der Wellenlänge λ (0) durch das Aberrationskorrekturgitter 6 gemäß der Bragg'schen Bedingung oder im engen Bereich der Bragg'schen Bedingung gebeugt wird:

darin bedeutet:
β (0) = der Einfalls-(Eingangs)-Winkel in bezug auf das Beugungsgitter bei Wellenlänge λ (0)
γ (0) = der Strahlungs-(Ausgangs)-Winkel in bezug auf das Beugungsgitter bei Wellenlänge λ (0).

Zusätzlich ist d so gewählt, daß es die Gleichung (4) erfüllt, so daß Licht mit einer Wellenlänge λ (1) im engen Bereich der Bragg'schen Bedingung gebeugt wird:

darin bedeutet:
β (1) = der Einfallswinkel in bezug auf das Beugungsgitter bei Wellenlänge λ (1) (β (0)=β (1))
γ (1) = der Strahlungswinkel in bezug auf das Beugungsgitter bei Wellenlänge λ (1).

Weiter sind die Größen d, δ und R so definiert, daß die nachfolgenden Gleichungen (5) bis (12) befriedigt werden:

darin bedeutet:
α₀ (0) = der Einfallswinkel zum Gitterkoppler, bei λ (0)
α₀ (1) = der Einfallswinkel zum Gitterkoppler, bei λ (1)
α₁ (0) = der Brechungswinkel vom Glasblock zum Substrat, bei λ (0)
α₁ (1) = der Brechungswinkel vom Glasblock zum Substrat, bei λ (1)
α₂ (0) = der Einfallswinkel zum Substrat, bei λ (0)
α₂ (1) = der Einfallswinkel zum Substrat, bei λ (1)
Λ = die Gitterperiode des Gitterkopplers
d = die Gitterperiode des Aberrationskorrekturgitters
R = der Schnittwinkel der Endfläche des Substrates
δ = der Neigungswinkel des Aberrationskorrekturgitters 6
m = der Ordnungsgrad der durch das Aberrationskorrekturgitter bewirkten Beugung, das auf -1 eingestellt ist
N = der effektive Brechungsindex des Lichtleiters 2
n_s = der Brechungsindex des Substrates 1
n_p = der Brechungsindex des Glasblocks.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Querschnittsform des Aberrationskorrekturgitters 6 gemäß der vorliegenden Erfindung. Zur Erzielung gebeugten Lichtes hoher Lichtstärke ist es wünschenswert, ein Beugungsgitter mit einer Form zu verwenden, die die bereits beschriebene Bragg'sche Bedingung erfüllt.

Nachfolgend wird ein konkretes Beispiel eines Beugungsgitters beschrieben, das die genannte Bedingung erfüllt. Es wird ein Halbleiterlaser mit λ (0) äquivalent 0,78 µm und λ (1) äquivalent 0,776 µm verwendet. Auf einem Ti-Diffusionslichtleiter mit LiNbO₃-Kristallen mit n_s=2,2 und N=2,209 wird ein Gitterkoppler mit Λ=4 µm gebildet. Ein aus BK-7 mit n_p=1,45 bestehender Glasblock wird fest an eine Endseite gefügt, auf die ein Hauptlaserstrahl einfällt. Im vorliegenden Falle nehmen R, δ und d jeweils annähernd die Werte 56°, 100° und 1,6 µm an. Obwohl im vorliegenden Falle die Einfallswinkel der Strahlen in bezug auf das Beugungsgitter mit jeweils λ (0) und λ (1) untereinander äquivalent sind, beträgt der Unterschied des Strahlungs-(Ausgang)-Winkels ungefähr 0,1°. In diesem Falle erreicht der Wirkungsgrad des gebeugten Strahles (d. h., des vom Aberrationskorrekturgitters 6 ausgesandten Strahles) 90% oder mehr, wenn T annähernd 11 µm ist.

Nachfolgend wird ein Beispiel für ein Aberrationskorrekturgitter 6 beschrieben. Als Substrat wird das BK-7-Glas 8 benutzt. Auf dem Glas wird eine SiO₂-Schicht 9 mit einer Dicke von annähernd 11 µm unter Anwendung einer Filmerzeugungsmethode, wie z. B. der CVD-Methode, aufgebracht. Die SiO₂-Schicht wird durch Einsatz der Fotolithographie feinbearbeitet, um eine vorherbestimmte Form zu erzielen. Die Glasblöcke 5 und 5′ aus BK-7 sowie das oben beschriebene Beugungsgitter 6 werden dann durch ein Bindemittel, das einen Beugungsindex besitzt, der demjenigen des BK-7 nahezu äquivalent ist, fest miteinander verbunden. Auf der beschriebenen SiO₂-Schicht 9 mit dem Bindemittel wird eine periodische Struktur erzeugt, die als Aberrationsgitter 6 dient.

Wie im Falle der Form des bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Beugungsgitters kann ein Beugungsgitter des Reflexionstyps mit einem wie in Fig. 3 gezeigten Reflexionsfilm 10 anstelle des Beugungsgitters vom Transmissionstyp nach Fig. 1 und 2 verwendet werden.

Zu den Materialien, aus denen die oben beschriebene optische integrierte Schaltung aufgebaut ist, gehören Quarz, ein SiO₂-Glassubstrat, ein dielektrisches Kristallsubstrat, ein Lichtleiter aus SiO₂-Glas und ein Metalldiffusionslichtleiter. Zu den Baustoffen für die Vorrichtungen 3 und 3′ gehören Chalcogenglas, TiO₂, ZnO und ZnS. Aufbaumaterialien für das Aberrationskorrekturgitter 6 umfassen SiO₂-Glas und eine Polymermasse. Zu den Aufbaumaterialien für den Glasblock 10 gehört SiO₂-Glas. Im allgemeinen können die üblichen, zur Herstellung optischer Vorrichtungen, Lichtleiter und optischer Dünnfilmvorrichtungen benutzte Materialien verwendet werden. Die aus diesen Materialien hergestellten Vorrichtungen können auch mit der in der Halbleiterherstellung verwendeten Lithographie- und Vakuumtechnik bearbeitet werden. Weiter kann der oben beschriebene, als optische integrierte Schaltung ausgeführte optische Kopf als optischer Kopf für einen Laserstrahldrucker verwendet werden.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen: 1 - ein Substrat aus einem Dielektrikum oder aus Glas; 2 - einen Lichtleiter, der auf einer ersten Hauptebene des Substrates 1 mit einem höheren Brechungsindex als demjenigen des Substrates 1 gebildet ist; 3′ - ein Gitterkoppler, der auf dem Lichtleiter mit geradlinigen gleichmäßigen Gitterformen gebildet ist; 7 - ein geführter Lichtstrahl, der sich innerhalb des Lichtleiters 2 ausbreitet; 14 - eine Linse zum Fokussieren des vom Substrat ausgesandten Strahles; und 21 - ein Fokussierungspunkt (im folgenden der Einfachheit halber als Brennpunkt bezeichnet) des ausgesandten Strahles, erzeugt durch die Linse. Der geführte Strahl 7 muß parallel gerichtete Strahlen umfassen.

Es sei nun angenommen, daß die Wellenlänge des von der Lichtquelle emittierten Laserstrahls den Wert λ, der effektive Brechungsindex des Lichtleiters 2 in bezug auf den geführten Strahl 7 den Wert N; der Brechungsindex des Substrates 1 den Wert n_s und die Periode des linearen, gleichförmigen Gitterkopplers 3′ den Wert λ besitzen. Um unter Verwendung des Gitterkopplers 3′ einen m-ten Strahl auf das Substrat in einer Richtung auszusenden, die einen Winkel R mit einer Substratoberfläche einschließt, muß die folgende Bedingung erfüllt werden:

Als gebeugter Strahl wird im allgemeinen ein (-1)-ter Strahl verwendet.

Falls die Vorschrift:

zusätzlich zur Bedingungsgleichung (13) erfüllt ist, wird der geführte Strahl nur in die Substratrichtung gesandt und nicht in die Luft, woraus sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt.

Nunmehr sei angenommen, daß m=-1 und R=30° ist, so daß die Gitterperiode Λ durch die folgende Formel bestimmt ist:

Beispielshalber wird nun angenommen, daß als Substrat 1 der Stoff LiNbO₃ mit n_s=2,177 benutzt wird, während der Lichtleiter durch thermische Diffusion von Ti so hergestellt wird, daß er die Beziehung N=2,187 erfüllt. Wird weiter angenommen, daß als Lichtquelle ein Halbleiterlaser mit λ=0,78 µm benutzt wird, so folgt, daß Λ=2,59 µm ist, so daß die optische integrierte Schaltung infolgedessen in befriedigender Weise unter Verwendung der fotolithographischen Technik hergestellt werden kann.

Da hier auch die Bedingung (14) erfüllt wird, kann der geführte Strahl tatsächlich nur in der Substratrichtung ausgesandt werden.

Als weiteres Beispiel wird nunmehr angenommen, daß als Substrat 1 Pyrexglas mit n_s=1,472 verwendet wird und daß Corning-7059-Glas als Lichtleiter 2 mit einem Brechungsindex von 1,544 durch Aufstäuben in Form eines Filmes so hergestellt wird, daß die Beziehung N 1,520 erfüllt wird. Wird ferner angenommen, daß auch in diesem Fall ein Halbleiterlaser mit λ=0,78 µm als Lichtquelle benutzt wird, ergibt sich, daß Λ=3,18 µm wird und die optische integrierte Schaltung infolgedessen in befriedigender Weise ebenfalls durch Anwendung der fotolithographischen Technik hergestellt werden kann. Da weiter die Bedingung (14) ebenfalls befriedigt wird, kann der geführte Strahl effektiv nur in die Substratrichtung gesandt werden.

Wie oben beschrieben, kann bei optischen integrierten Schaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu Schaltungen des Standes der Technik eine große Wirkung erzielt werden.

Im folgenden werden Aberrationen beschrieben, die bei der obengenannten Wellenlängenabweichung Δλ des Laserstrahls, der Abweichung ΔN des effektiven Brechungsindexes und der Abweichung δ des Laserstrahls von der optischen Achse auftreten.

Es wird angenommen, daß in einem linksorientierten linearen orthogonalen Koordinatensystem die Z-Achse in die Ausbreitungsrichtung des erhaltenen Strahles fällt, wenn δ=0 ist, wie in Fig. 5 dargestellt. Weiter ist angenommen, daß ein weiteres linksgerichtetes lineares orthogonales Koordinatensystem den Ausstrahlungs-(Ausgangs)-Punkt des Strahles zum Ursprungspunkt hat und daß die Z′-Achse in diejenige Richtung fällt, in der Strahl bei δ=0 gesandt wird. Die Ursprungspunkte beider Koordinatensysteme werden in einem einzigen Punkt zusammengebracht. Weiter schließen die Z-Achse und die Z′-Achse einen Winkel R ein.

Zunächst gilt, daß wenn parallel einfallende Strahlen in eine von der Z-Achse um einen Winkel δ abweichende Richtung einfallen, die Phasenanpassungsbedingung im xyz-System dargestellt wird durch:

darin ist k₀=2Π/λ, und Px, Py und Pz sind Komponenten des Strahlungsvektors im xyz-System. Da die Vektoren des xyz-Systems und des x′y′z′-Systems miteinander durch die Transformation:

gekoppelt sind, wird der Strahlungsvektor in x′y′z′-System dargestellt durch:

Es sei nun angenommen, daß die Richtung des ausgesandten Strahles und die Z′-Achse einen Winkel Φ für den Fall einschließen, daß als Substrat das obengenannte LiNbO₃ benutzt wird und daß die Näherungsbeziehung |δ|≈Φ im Bereich |δ|<0,01 rad gilt. Ferner wird als Ergebnis der Brechung an der Grenzfläche zwischen Substrat und Luft die Beziehung Φ≈2|δ| für Luft als zutreffend angenommen. Das bedeutet, daß der geführte Strahl in einer gegen die Z′-Achse um fast 2δ geneigten Richtung als Parallelstrahlbündel ausgesandt wird.

Wenn als fokussierende Linse 14 eine herkömmliche Linse für optische Aufnehmer verwendet wird, besitzt der ausgesandte Strahl Parallelstrahlen. Falls δ, wie oben beschrieben, genügend klein ist, wird die Aberration so klein, daß kaum ein Problem auftritt.

Unter der Voraussetzung, daß die Brennweite einer Linse beispielsweise 3 mm beträgt, verschiebt sich der Brennpunkt 21 um etwa 30 µm, wenn δ≈0,01 ist. Durch positive Ablenkung des geführten Strahles 7 mit Hilfe von SAW (akustische Oberflächenwellen), die im optischen SAW-Deflektor 15 angeregt werden, kann somit die Zugangs- und Spurverfolgungskorrektur mehrerer Spuren durchgeführt werden, wie in Fig. 6 gezeigt ist.

Dadurch, daß die Form des Gitterkopplers linear ausgebildet wird, wie oben beschrieben, ist es möglich, ein Aufnehmer-Objektivlinsensystem aufzubauen, das durch die Ablenkung des geführten Strahles 7 nicht signifikant von der optischen Achse Z beeinträchtigt wird.

Andererseits wird, wenn eine Abweichung ΔN des effektiven Brechungsindexes und eine Wellenlängenabweichung der Laserlichtquelle eintritt, die Richtung des ausgesandten Strahles in der xz (x′z′)-Ebene um einen Winkel ΔR abgelenkt. Der ausgesandte Strahl besitzt aber Parallelstrahlen. Ihre Stärke wird annähernd durch die folgende Gleichung dargestellt:

Wenn ΔN oder Δλ im vorerwähnten Falle, bei dem LiNbO₃ als Substrat verwendet wird, einzeln auftreten, ergibt sich:

ΔR ∼ -0,92 ΔN rad

ΔR ∼ 0,35 Δλ rad. (20)

Unter angemessener Berücksichtigung des Brechungseffektes wird die Beziehung |Δ|<0,01 rad in einem Bereich erfüllt, der dargestellt werden kann, durch:

| ΔN | ≦ 5,0 × 10^-3

| Δλ | ≦ 1,3 × 10^-2 µm (21)

Diese Werte sind im Vergleich zu denen des Standes der Technik ausreichend groß.

Bei der oben beschriebenen optischen integrierten Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Gitterkoppler ein Beugungsgitter mit geradlinigen Formen verwendet. Auch wenn Δλ, ΔN und δ relativ große Werte besitzen, weist der ausgesandte Strahl Parallelstrahlen auf. Wenn als Aufnehmer eine Hochleistungsobjektivlinse verwendet wird, kann daher eine entstehende Aberration verringert werden.

Fig. 7 zeigt eine optische integrierte Schaltung, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Dabei gibt Fig. 7a eine Schnittansicht und Fig. 7b eine Draufsicht wieder.

In den Fig. 7a und 7b kennzeichnet das Bezugszeichen 1 ein Substrat, das ein optisches Material, wie etwa niobsaures Lithium (LiNbO₃), mit einem Brechungsindex von 2,177 aufweist. Das Bezugszeichen 2 kennzeichnet einen Lichtleiter mit einem Brechungsindex, der größer als derjenige des Substrates ist. Im vorliegenden Beispiel wurde Titan in der Dampfphase auf das LiNbO₃ aufgebracht und durch Wärme, zur Bildung eines Lichtleiters, in einer Dicke von ungefähr 1,5 µm eindefundiert. Das Bezugszeichen 3′ kennzeichnet einen Gitterkoppler, der so auf dem Lichtleiter ausgebildet ist, daß er geradlinige gleichförmige Formen besitzt. Der Gitterkoppler 3′ besteht aus einem optischen Material mit einem Brechungsindex, der größer als derjenige des Lichtleiters ist. Im vorliegenden Falle wurde eine Titaniumoxidschicht (TiO₂) mit einem Brechungsindex von 2,4 auf dem Lichtleiter aufgebracht. Mit Hilfe einer ein Muster bildenden lithographischen Technik wurde ein geradliniger Gitterkoppler mit einer Periode von 2,59 µm über eine Länge von 4 mm in Lichtausbreitungsrichtung hergestellt. Das Bezugszeichen 22 kennzeichnet Linsen, die auf dem Lichtleiter an der Vorderseite des Brechungsgitters 3′ angeordnet sind. Im vorliegenden Falle wurde auf dem Lichtleiter mit Hilfe der üblichen Technik eine Fresnel-Linse vom Transmissionstyp mit einer Apertur von ungefähr 2 mm angebracht. Die Apertur der Linse ist gleich groß oder größer als die Breite des geführten Strahles. Wenn auch als Linse eine Massivlinse verwendet werden kann, wird die Fresnel-Linse im Hinblick auf die Integration der Linse mit dem Substrat und die Erzielung einer kompakten Konfiguration bevorzugt. Das Bezugszeichen 23 kennzeichnet eine Substratendfläche, die poliert ist und einen Reflektionsflächenschnitt unter einem Winkel von 30°, bezogen auf die Substratoberfläche, besitzt. Dieser Neigungswinkel ist genau so groß wie der Strahlungs(Ausgangs)-Winkel des geführten Strahles 7 gewählt. Das Bezugszeichen 21 kennzeichnet einen Brennpunkt f des Lichtes. Der in Fig. 7b dargestellte geführte Strahl 7 umfaßt gebündelte parallelgerichtete Strahlen.

Im folgenden werden die Dicke des das Brechungsgitter bildenden Titaniumoxyds (TiO₂) sowie die Brennlänge f und die Apertur D der Fresnel-Linse im einzelnen beschrieben. Wenn als Objektivlinse eine Fresnel-Linse verwendet wird, muß die numerische Apertur NA annähernd gleich 0,5 gewählt werden. Die wahre numerische Apertur dieser Linse hängt von der numerischen Apertur des Beugungsgitters ab. Es sei nun angenommen, daß die Aperturlänge des Beugungsgitters in der x-Richtung die Größe Lx und die Aperturlänge des Beugungsgitters in der y-Richtung die Größe Ly besitzt, wie in Fig. 7b dargestellt ist. Wenn der vom Beugungsgitter ausgesandte Strahl in eine Richtung gesandt wird, die einen Winkel R in bezug auf die Oberfläche des Substrats 1 bildet, beträgt die Fläche des auf die Fresnel-Linse 22 einfallenden Strahlenbündels LxcosR×Ly. Unter der Annahme, daß R=30° und f=2 mm ist, wie beispielsweise im Falle der vorliegenden Ausführungsform, müssen die Bedingungen Lx=2,30 mm, Ly=1,15 mm erfüllt werden. Um in diesem Falle alle Strahlenbündel abzudecken, muß die Apertur D der Fresnel-Linse die folgende Beziehung erfüllen:

Der Strahl wird vom Gitterkoppler 3′ in der x-Achsrichtung mit einer Amplitude ausgesandt, die abhängig ist von exp(-ªx), wobei ª als Strahlungsverlustkoeffizient bezeichnet wird. Um die numerische Apertur zu verwirklichen, muß die Bedingung ªLx<1 erfüllt werden. Im Falle des obigen Beispiels ergibt sich, daß:

Der Wert von ª hängt vom Brechungsindex und der Dicke des Substrates 1, des Lichtleiters 2 und des Gitterkopplers 3′ ab. Wenn LiNbO₃ mit einem Brechungsindex n_s=2,177 und der Lichtleiter 2 mit einem Brechungsindex N=2,187 verwendet werden, und wenn TIO₂ mit einem Brechungsindex n_s=2,4 als Füllschichtmaterial des Gitterkopplers verwendet wird, wird das Verhältnis ª≈0,4 dadurch erfüllt, daß die Dicke von TiO₂ annähernd der Dicke 30 nm äquivalent gemacht wird.

Zurückkehrend zur Beschreibung der optischen integrierten Schaltung gemäß den Fig. 7a und 7b sollen nun die Parameter der entsprechenden optischen Systeme beschrieben werden.

Es wird jetzt angenommen, daß die Wellenlänge des Laserstrahls der Lichtquelle (in den Fig. 7a und 7b nicht dargestellt) den Wert λ, der effektive Brechungsindex des Lichtleiters 2 den Wert N, der Brechungsindex des Substrates 1 den Wert ns und die Periode des linearen gleichförmigen Gitterkopplers 3′ den Wert Λ besitzt.

In der Annahme, daß die Einfallsrichtung des vom Gitterkoppler 3′ ausgesandten Strahles und die Richtung der Normalen der polierten Fläche 23 der Substratendseite einen Winkel Φ einschließen, tritt totale Reflexion ein, sofern gilt:

n_s sinΦ<1 (22)

Die vorliegende Ausführungsform der Erfindung fällt in den durch den Ausdruck (22) dargestellten Totalreflexionsbereich, weil n_s=2,177 und Φ=30° ist.

Es sei nun angenommen, daß die Brennweite der Fresnel-Linse 22 den Wert f besitzt und daß ein Koordinatensystem den Mittelpunkt der Fresnel-Linse als ihren Ursprungspunkt besitzt, wie in Fig. 7b dargestellt ist. Der Ausdruck für die Form der Fresnel-Linse wird durch die nachfolgende Formel wiedergegeben:

(wobei m′ ganzzahlig ist).

Da die vorliegende Fresnel-Linse in bezug auf die optische Achse achssymmetrisch gestaltet ist, hat der geringste Aberrationsgrad den Wert 3. Wie bei Meier, J. Opt. Sco. Amer., Vol. 55, Nr. 8 (1965, S. 987-992) dargestellt ist, wird die Aberrationsfunktion der dritten Wellenfront wie folgt formuliert:

Die Funktion ist unter Verwendung der Beziehungen x=rcosR, y=rsinR in Polarkoordinaten dargestellt worden. Weiter bedeutet λ′ die Wellenlänge der tatsächlichen Lichtquelle.

Nimmt man eine Aberration fünfter oder höherer Ordnung als genügend klein an und vernachlässigt sie bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung, können zulässige obere Grenzwerte von Δn, Δλ und δ abgeleitet werden, die die Marechal-Bedingung erfüllen. Das heißt, daß die oberen Grenzwerte von |Δn|, |Δλ| und |δ| wie folgt dargestellt werden:

Wenn man die oben angegebenen Werte des Standes der Technik mit dem Ausdruck (25) vergleicht, stellt man fest, daß die oberen Grenzwerte der vorliegenden Erfindung, dargestellt durch den Ausdruck (25), im Vergleich zum Gitterkoppler des Standes der Technik mit fokussierender Funktion erheblich weniger streng sind. Im Vergleich zum fokussierenden Gitterkoppler des hybriden Typs, der eine konventionelle fokussierende Massivlinse verwendet, liegt der Ausdruck (25) bei |Δn| etwas niedriger, ist aber im Falle von |δ| und |Δλ| besser. Wenn im Ausdruck (25) der Wert |Δλ| zugelassen wird, ist die tatsächliche Wellenlängenveränderung bis zu ±4 nm erlaubt, falls ein Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von λ=0,78 µm verwendet wird, was ein praktikabler Wert ist. Auch in bezug auf |Δn| beträgt die tatsächliche Veränderung des effektiven Brechungsindexes 0,0035, wenn LiNbO₃ mit Brechungsindex n_s=2,177 als Substrat verwendet wird und wenn die geführte Welle 7 mit einem effektiven Brechungsindex N=2,187 benutzt wird. Da der Veränderungswert im üblichen Herstellungsverfahren wie etwa der thermischen Diffusion und der Filmbildung ausreichend gesteuert werden kann, ergibt sich kein Problem.

Die Fig. 8 bis 11 zeigen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie weiter oben beschrieben, wird hier ein auf dem Lichtleiter gebildetes Wellenleitergitter als Gitterkoppler benutzt, um einen Halbleiterlaserstrahl auf den Wellenleiter einfallen zu lassen. Als Baumaterial für den Gitterkoppler kann ein Dielektrikum wie TiO₂, SiO₂ oder Si-N verwendet werden. Alternativ kann der Lichtleiter selbst so bearbeitet werden, daß er Nuten aufweist. Der Querschnitt des Gitterkopplers kann, wie in Fig. 8 gezeigt, rechteckig sein. In diesem Falle entsteht jedoch das Problem, daß der Wirkungsgrad der Einfallskopplung des Halbleiterlaserstrahls in bezug auf den Lichtleiter abnimmt, wenn das Verhältnis der Gitterbreite Λa bei der in Fig. 8 dargestellten Gitterteilung Λ zur Breite Λb eines Bereichs, in welchem kein Gitter ist, d. h. Λa/Λb, von Eins abweicht. Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems bietet die Methode, den Gitterkoppler mit einer gezackten Querschnittsform auszustatten. Das Wort "auszacken" bedeutet, daß die Querschnittsform der Gitterteilung nahezu dreieckig gemacht wird. Das bevorzugteste Dreieck ist das rechtwinklige Dreieck (Fig. 9). Es sei nun angenommen, daß der durch das rechtwinklige Dreieck in bezug auf die Eintrittsfläche des Lichtleiters gebildete Winkel ein gezackter Winkel ª_BA ist. Dann ist es wünschenswert, daß ª_BA ein Winkel ist, der folgende Beziehung befriedigt:
N cosα_BA = n_s (sinA₀sinα_BA + cosA₀cosα_BA) (27)

darin ist:

ª_BA = der gezackte Winkel des Gitterkopplers
A₀ = der Einfallswinkel des Laserstrahls zum Gitterkoppler
N = der effektive Brechungsindex des Lichtleiters
n_s = der Brechungsindex des Substrats der optischen integrierten Schaltung.

Dann wird die Beziehung zwischen Λ und A₀ dargestellt durch die Gleichung:

Durch Bestimmen von Λ und der Wellenlänge λ (0) des Halbleiterlaserstrahls ist A₀ definiert, so daß ª_BA aus der Gleichung (27) ermittelt wird. Um konkret zu sein sei bemerkt, daß ª_BA annähernd 14° wird, wenn Λ=3 µm, λ (0)=0,78 µm, N=2,209 und n_s=2,2 ist. Ein gezackter Gitterkoppler kann typischerweise durch Anwendung der Ionenmahltechnik (ion milling technique) und durch schräges Auftreffenlassen von Ionen auf ein Substrat zur Bildung einer optischen integrierten Schaltung erzeugt werden. Das Auftreten von Fabrikationsfehlern bei einem gezackten Gitter hängt bei der Ionenmahltechnik vom Einfallswinkel der Ionen ab. Selbst wenn ª_BA die Gleichung (27) nicht vollständig erfüllt, tritt der Effekt auf. Wenn der Wirkungsgrad der Einfallskopplung eines Gitterkopplers mit rechteckigen Formen beispielsweise gleich Eins gemacht wird, steigert die Zackenbildung den Einfallswirkungsgrad um das Zweifache oder mehr. Auch wenn der Fehler von ª_BA bei ±10% liegt, wird der Einfallswirkungsgrad nur um annähernd 10% verringert.

Der oben beschriebene Effekt der Zackenbildung beim Eingangsgitterkoppler für Lichtleiter erweist sich auch im Falle eines Gitterkopplers von Vorteil, der zum Beugen oder Einleiten eines Strahls aus dem Lichtleiter in das Substrat dient. In Fig. 10 ist ein Gitterkoppler mit rechteckigen Formen dargestellt. Bei Anwendung eines Gitterkopplers mit gezackten Formen, wie in Fig. 11 dargestellt, wird der Wirkungsgrad der Beugung oder Einstrahlung in das Substrat bedeutend verbessert. In diesem Falle wird der optimale Zackungswinkel ª′_BA durch folgende Gleichung dargestellt:

N cosα′_BA = n_s(sinα₀sinα′_BA + cosα₀cosα′_BA) (29)

darin ist:
a₀ = der Strahlungswinkel oder der Beugungswinkel eines Laserstrahls aus dem Gitterkoppler.

Die Beziehung zwischen der Gitterperiode Λ′ des Gitterkopplers und ª₀ wird durch die Gleichung (30) dargestellt. Durch Festsetzen von Λ′ und der Wellenlänge λ (0) des Halbleiterlaserstrahls ist ª′_BA definiert:

Im allgemeinen sind die oben angegebenen Größen Λ und Λ′ einander äquivalent. Daher werden auch die Größen ª_BA und ª′_BA einander äquivalent. Im Falle eines Gitterkopplers mit rechteckigen Formen können die Beziehungen zwischen dem Ausbreitungsvektor des geführten Strahls, dem Ausbreitungsvektor des gebeugten Strahls und dem Gittervektor des Gitterkopplers die Bragg'sche Bedingung nicht vollständig erfüllen. Da somit ein gebeugter Strahl höherer Ordnung (±2 oder höher) erzeugt wird, wird kein Gitterkoppler mit hohem Wirkungsgrad erzielt. Andererseits wird Beugung typischerweise nur in der Nähe der Bragg'schen Bedingung durch Zackenbildung des Querschnitts der Gitterkopplers ausgelöst. In diesem Falle wird das Entstehen gebeugter Strahlen höherer Ordnung verhindert, so daß der Wirkungsgrad des Gitterkopplers auf annähernd das Zweifache gesteigert wird. Ein passender typischer Wert für ª′_BA liegt bei annähernd 14°. In gleicher Weise wie beim im beschriebenen Falle der Größe ª_BA wird der Effekt jedoch nicht signifikant verringert, selbst wenn die Herstellungsgenauigkeit um ungefähr ±2° schwankt. Wie vorher beschrieben, ist es möglich, den Einfallswirkungsgrad und den Wirkungsgrad der Strahlungskopplung durch Anbringen von Zacken am Gitterkoppler beträchtlich zu steigern. Die Bildung von Zacken am Gitterkoppler berührt nicht das bei den vorausgehenden Ausführungsformen offenbarte Gitter zur Aberrationskorrektur.

Claims

1. Optische integrierte Schaltung mit einem Halbleiterlaser (4) zur Einkopplung eines Laserstrahls in einen auf einem Substrat (1) angeordneten Wellenleiter (2) mit Hilfe eines Gitterkopplers (3), wobei zur Verringerung von Aberration ein Aberrationskorrekturgitter (6) zwischen den Eingang der Schaltung und den Gitterkoppler (3) geschaltet ist.

2. Optische integrierte Schaltung zur Auskopplung eines Laserstrahles aus einem auf einem Substrat (1) angeordneten Wellenleiter (2) mit Hilfe eines Gitterkopplers (3), wobei zur Verringerung von Aberration ein Aberrationskorrektursignal (6′) zwischen den Gitterkoppler (3) und den Ausgang der Schaltung geschaltet ist.

3. Optische integrierte Schaltung, auf der eine optische integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1 und eine optische integrierte Schaltung gemäß Anspruch 2 integriert sind.

4. Optische integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die folgende Stoffe aufweist:
SiO₂-Glas, das als Substrat (1) für das Aberrationskorrekturgitter (6, 6′) dient,
SiO₂-Glas und eine Polymermasse, die als Herstellungsmaterial für den Gitterkoppler (3) benutzt werden.

5. Optische integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche umfaßt:
ein Substrat (1), das Lithiumniobatkristall (LiNbO₃) aufweist; und
einen Protonenaustausch-Lichtleiter (2), der derart auf der Oberfläche des Substrates (1) ausgebildet ist, daß er durch Austausch eines Teils der Lithiumionen innerhalb des Substrates (1) gegen Protonen einen höheren Brechungsindex als das Substrat (1) besitzt, wobei er eine Zusammensetzung gemäß der Formel H_xLi₁_-xNbO₃ besitzt, und das Substitutionsverhältnis x der Lithiumionen zu den Protonen gemäß der Beziehung 0,4<x<0,55 erfüllt ist.

6. Optische integrierte Schaltung nach Anspruch 1, bei der ein vom Halbleiterlaser (4) ausgesandter Strahl auf einen auf dem Lichtleiter (2) gebildeten Gitterkoppler (3) einfällt und in Form paralleler Strahlen an den Lichtleiter (2) angekoppelt wird.

7. Optische integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aberrationskorrekturgitter (6) eine Gitterperiode besitzt, die die Bragg'sche Bedingung in bezug auf einen Strahl mit einer einzelnen Wellenlänge in einem Bereich von λ (0) bis λ (1) erfüllt, wobei der Halbleiterlaserstrahl eine Wellenlängenverteilung von λ (0) bis λ (1) aufweist.

8. Optische integrierte Schaltung nach Anspruch 7, bei der das Aberrationskorrekturgitter (6) eine Gitterperiode besitzt, die die Bragg'sche Bedingung in bezug auf einen Strahl mit einer Wellenlänge von [λ (0)+λ (1)]/2 erfüllt, wenn die Wellenlänge des vom Halbleiterlaser (4) ausgesandten Strahles über einen Bereich von λ (0) bis λ (1) verteilt ist.

9. Optische integrierte Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, bei der der Gitterkoppler (3) gezackte Querschnittsformen besitzt.

10. Optische integrierte Schaltung gemäß Anspruch 9, bei der der Zackenwinkel des gezackten Gitterkopplers (3) folgende Beziehung näherungsweise erfüllt: Ncosα _BA = n_s(sinA₀sina _BA + cosA₀cosα _BA)darin ist:
α _BA = der Zackenwinkel des Gitterkopplers (3)
A₀ = der Winkel zwischen dem Laserstrahl und dem Gitterkoppler (3)
N = der effektive Brechungsindex des Lichtleiters (2)
n_s = der Brechungsindex des Substrates (1) der optischen integrierten Schaltung.