DE4040512A1 - Integrierter optischer schaltkreis und verfahren zum anschliessen optischer fasern - Google Patents

Integrierter optischer schaltkreis und verfahren zum anschliessen optischer fasern

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Verbinden optischer Fasern mit integrierten optischen Schaltkreisen. Speziell bezieht sich die Erfindung auf Vorrichtungen und Verfahren zum Verbinden optischer Fasern und integrierter optischer Schaltkreise, die benutzt werden, um einen drehempfindlichen Sensor auf Grundlage von Sagnac- Schleifen aufzubauen.
Viele optische Systeme enthalten sowohl integrierte optische Einheiten als auch optische Fasern. Bei einer Technik zur Herstellung eines dreh­ empfindlichen Sensors, der die Phasendifferenz zwischen gegenläufigen Wellen in einer Spule einer optischen Faser benutzt, wird z. B. eine Einheit zur Verarbeitung und Steuerung der optischen Signale als integrierter optischer Schaltkreis ausgeführt, und die Enden der optischen Faserspule werden an Wellenleiter angeschlossen, die in dem Schaltkreis ausgebildet sind. An der Kreuzungsstelle von drei optischen Wellenleitern in dem Schaltkreis mit integrierter Optik wird ein Y-förmiger Koppler ausgebildet. Licht von einer Lichtquelle wird an einem der Wellenleiter eingegeben, der dann das eingegebene Licht zu dem Y-förmigen Koppler führt. Der Y-förmige Koppler teilt anschließend das Licht in zwei Strahlen auf, die dann als gegenläufige Wellen in der faseroptischen Sensorspule benutzt werden.
Frühere Verfahren zum Verbinden optischer Fasern mit optisch integrierten Schaltkreisen benutzen üblicherweise V-förmige Gräben in Siliziumsubstrat. Um eine faseroptische Spule zur Drehbewegungsaufnahme an einen integrierten optischen Schaltkreis anzuschließen, werden die Fasern in die V-förmigen Gräben hineingelegt, um die Fasern so auszurichten, daß die Enden der faseroptischen Spule in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der gleich dem Abstand zwischen den Enden der integrierten optischen Wellenleiter ist, an dem die Fasern angeschlossen werden sollen.
Für einen befriedigenden Anschluß der optischen Fasern an den integrierten optischen Schaltkreis müssen beide, die Endfacetten des integrierten optischen Schaltkreises und die V-förmigen Gräben, poliert werden. Gewinkelte Facetten werden sowohl für die Untereinheit mit V-förmigen Gräben als auch für den integrierten optischen Schaltkreis benötigt, um Fresnel-Reflexionen an den Anstoßpunkten zwischen der optischen Faser und dem integrierten optischen Schaltkreis zu reduzieren.
Kreuzkopplung der Polarisation, bei der Licht einer Polarisation in die andere Polarisation übergeführt wird, ist eine Fehlerquelle bei faser­ optischen drehempfindlichen Sensoren. Bei den meisten faseroptischen drehempfindlichen Sensorsystemen müssen daher die Hauptachsen der dop­ pelbrechenden optischen Fasern und der integrierten optischen Wellenleiter genau aufeinander abgestimmt sein, um die Polarisationskreuzkopplung klein zu halten. Das Ausrichten der Hauptachsen ist sehr arbeitsintensiv und daher teuer. Außerdem ist eine konventionelle Verbindung eines inte­ grierten optischen Schaltkreises mit Anschlußlitzen und einer optischen Faser nicht genügend stabil, um harte Stöße und Vibrationen auszuhalten, denen ein Navigations- oder Führungssystem, welches einen faseroptischen Rotationssensor enthält, ausgesetzt sein könnte.
Die Erfindung offenbart einen integrierten optischen Schaltkreis, der die Probleme beseitigt, die von einer Polarisationskreuzkopplung in faseroptischen drehempfindlichen Sensoren verursacht wird, wobei zeitauf­ wendige und teure Schritte zur Ausrichtung einer faseroptischen dreh­ bewegungsempfindlichen Spule gegenüber optischen Wellenleitern in dem integrierten optischen Schaltkreis vermieden werden.
Ein erfindungsgemäßer optischer Schaltkreis besitzt ein Substrat aus optisch aktivem Material, das eine Aussparung aufweist. Ein optischer Wellenleiter ist in der integrierten optischen Schaltung ausgebildet, um optische Signale entlang einer gewählten Ausbreitungsachse zu führen, so daß eine Endwand der Aussparung eine Endoberfläche des optischen Wellenleiters einschließt. Die Endfläche des optischen Wellenleiters soll dabei einen Winkel zur Ausbreitungsrichtung des Lichts in dem optischen Wellenleiter aufweisen, der es erlaubt, die Menge von Licht, die an den Endflächen des optischen Wellenleiters reflektiert wird, zu reduzieren.
Der Zweck der Aussparung ist, einen Teil der optischen Faser aufzunehmen, die durch Anstoßen an die Endfläche des optischen Wellenleiters gekoppelt wird, um eine Schnittstelle so auszubilden, daß sich Licht zwischen dem optischen Wellenleiter und der optischen Faser ausbreiten kann. Der Winkel am Ende des optischen Wellenleiters wird so ausgebildet, daß Licht, das an der Grenzfläche zurück in die optische Faser reflektiert wird, mit einem Winkel auf die Kernmantelgrenzfläche auftrifft, der eine Brechung vom Kern in den Mantel erlaubt. Der Winkel am Ende des optischen Wellenleiters liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 25°.
Der erfindungsgemäße optische Schaltkreis weist vorzugsweise einen ersten, einen zweiten und einen dritten optischen Wellenleiter auf, die im Substrat gebildet sind, um optische Signale entlang ausgewählter Aus­ breitungsachsen zu führen. Aussparungen in dem optisch integrierten Schaltkreis sind an Kanten des integrierten optischen Schaltkreises ausgebildet, welche optischen Wellenleitern so zugeordnet sind, daß eine Endwand jeder Aussparung eine Endfläche des zugeordneten optischen Wel­ lenleiters einschließt. Der erste, zweite und dritte optische Wellenleiter sind in einer Kreuzung miteinander verbunden, wobei sie einen Y-Koppler so ausbilden, daß sich optische Signale, die in den integrierten optischen Schaltkreis an dem ersten optischen Wellenleiter eingegeben werden, über den Y-Koppler ausbreiten und sich dort in den zweiten und dritten Wellenleiter aufteilen. Optische Signale, die in den integrierten optischen Schaltkreis an dem ersten und zweiten optischen Wellenleiter eingegeben werden, laufen an dem Y-Koppler zusammen und interferieren miteinander.
Die Erfindung ermöglicht auch einen optischen drehbewegungsempfindlichen Sensor, der so aufgebaut ist, daß er den oben beschriebenen integrierten optischen Schaltkreis enthält.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden auch durch nachfolgende Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Patentansprüchen und der Zeichnung verdeutlicht.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines integrierten optischen Schaltkreises, der erfindungsgemäße Kopplungsaussparungen an den Enden der Wellenleiter aufweist, die einen Y-förmigen Koppler auf dem integrierten optischen Schaltkreis bilden;
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des integrierten optischen Schaltkreises von Fig. 1;
Fig. 3 zeigt, wie der integrierte optische Schaltkreis nach Fig. 1 und 2 an eine Sensorspule, bestehend aus einer optischen Faser, und an eine weitere optische Faser angeschlossen ist, die Licht in die Wellenleiter führt, welche auf dem Schaltkreis ausgebildet sind;
Fig. 4 illustriert schematisch die Verbindung zwischen dem Ende einer optischen Faser und einem der Wellenleiter in dem integrierten optischen Schaltkreis;
Fig. 5 zeigt die Ansicht eines Endes der optischen Faser aus Fig. 4;
Fig. 6 zeigt eine Ansicht des Endes eines Teils des integrierten optischen Schaltkreises der Fig. 1 bis 3 und einen integrierten optischen Wellenleiter.
Fig. 1 und 2 zeigen einen integrierten optischen Schaltkreis 10, der bevorzugt aus optisch aktivem Material, wie Lithiumniobat, hergestellt ist. Drei optische Wellenleiter 12, 14 und 16 sind in dem optischen Schaltkreis 10 ausgebildet. Die optischen Wellenleiter können z. B. dadurch hergestellt werden, daß das Substrat entsprechend maskiert wird und mit Titanionen dotiert wird, wobei Techniken benutzt werden können, wie sie in US-PS 49 04 038 dargestellt worden sind.
Die Wellenleiter 12, 14 und 16 treffen bei einer Gabelung 18 zusammen. Dadurch wird Licht, welches in den Wellenleiter 12 von links bezüglich der Fig. 1 eingegeben wird, zwischen die Wellenleiter 14 und 16 an der Gabelung 18 aufgeteilt. Licht, welches an den Wellenleitern 14 und 16 eingegeben wird, wird an der Gabelung 18 zusammengeführt und tritt in den Wellenleiter 12 ein.
Eine Aussparung 22 ist in dem integrierten optischen Schaltkreis 10 an einer Endfläche 24 so ausgebildet, daß ein Ende 23 des Wellenleiters 12 an der Endwand 25 in der Aussparung 22 anstößt. Die Wellenleiter 14 und 16 liegen entsprechend in den Aussparungen 26 und 28 anstoßend an, die in einer Endfläche 30 des integrierten optischen Schaltkreises 10 ausgebildet sind. Zwei der Aussparungen, z. B. die Aussparungen 22 und 26, können allgemein identisch sein, mit dem einzigen wesentlichen Unterschied, daß sie an unterschiedlichen Endflächen des integrierten optischen Schaltkreises 10 ausgebildet sind.
Die Aussparungen 26 und 28 sind so ausgebildet, daß eine von ihnen, z. B. die Aussparung 28, weiter in den integrierten optischen Schaltkreis 10 hineinreicht als die Aussparung 26. Die Aussparung 26 hat eine Länge l₁, die kleiner ist als die Länge l₂ der Aussparung 28. Die Längendifferenz der Schlitze ist Δl = l₂-l₁. Die Wellenleiter 14 und 16 haben also einen Längenunterschied von Δl.
Fig. 3 zeigt, wie der integrierte optische Schaltkreis 10 in einem dreh­ bewegungsempfindlichen System 34 eingesetzt wird. Das System zum Nachweis der Drehbewegung 34 weist eine optische Signalquelle 36, eine optische Faser 38 und eine optische Faser 40 auf, welche eine Sensorspule 41 bildet. Eine Mehrzahl von Elektroden 43A bis 43D kann sich auf dem Substrat 10 befinden. Die zusätzlichen Elektroden können als Hilfsmittel zur Polarisation und Modulation der Phase von optischen Signalen benützt werden, die von den Wellenleitern 14 und 16 geführt werden. Die Elektroden 43A und 43B können auf gegenüberliegenden Seiten des Wellenleiters 14 und die Elektroden 43C und 43D können auf gegenüberliegenden Seiten des Wellenleiters 16 angeordnet sein. Andere Elektroden (nicht gezeigt) können auf dem Substrat angebracht sein, damit die Doppelbrechung der Gabelung 18 moduliert werden kann oder damit optische Signale, die durch den Wellenleiter 12 geführt werden, polarisiert werden können.
Die optische Faser 38 ist an der Aussparung 22 befestigt und durch Aneinanderstoßen mit dem Wellenleiter 12 gekoppelt. Wie in den Fig. 2, 4 und 5 gezeigt ist, enthält die optische Faser 40 einen Kern 46 und einen Mantel 48, der den Kern 46 umgibt. Kern 44 und Mantel 48 sind in den Zeichnungen nicht maßstabsgerecht gezeigt. Der Manteldurchmesser ist um ein Vielfaches größer als der Kerndurchmesser.
Fig. 6 zeigt das Ende der Aussparung 26 und des Wellenleiters 14. Alle Wellenleiter 12, 14 und 16 können im wesentlichen gleich ausgebildet werden. Daher ist die Beschreibung des Wellenleiters 14 auch auf die Wellenleiter 12 und 16 anwendbar. Der Wellenleiter 14 habe im wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt. Er hat Ecken 50 und 51 innerhalb des Substrats 10, die auch etwas gerundet sein können, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Die Querschnittsfläche des Wellenleiters 14 sollte vorzugsweise ungefähr die gleiche Größe wie die Fläche des Querschnitts des Kerns 46 haben, um eine effektive Lichtkoppelung zwischen dem Wellenleiter 14 und der optischen Faser 40 zu erzielen.
Die Breite der Aussparung 26, wie sie aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist vorzugsweise ein wenig größer als der Durchmesser des Mantels 48. Das Ende 42 der optischen Faser 40 kann mit Hilfe einer Vielzahl von Techniken in der Aussparung 26 befestigt werden. Eine leicht verfügbare Technik zur Sicherung der Faser in der Aussparung ist der Gebrauch eines Klebstoffs, wie z. B. Epoxid. Eine andere verwendbare Technik nutzt das Einbringen eines Dielektrikums, wie z. B. geschmolzenes Silizium, in die Aussparung 26 und um die optische Faser 40 herum. Eine weitere mögliche Technik verwendet die Schritte, einen Metallfilm in der Aussparung 26 aufzubringen, das Ende 44 der optischen Faser zu metallisieren und die metallisierte Faser in der Aussparung anzubringen.
Fig. 3 zeigt, daß die optische Signalquelle 36 und die optische Faser 38 so angeordnet sind, daß die Faser 38 optische Signale, die von der optischen Signalquelle 36 ausgegeben werden, empfängt und sie zu dem Wellenleiter 12 führt. Der Wellenleiter 12 führt das Licht von der optischen Signalquelle 36 zu der Gabelung 18, an der sich das Licht von der Quelle in die Wellenleiter 14 und 16 teilt. Die Enden 42 und 44 der faseroptischen Sensorspule 41 sind in den Aussparungen 26 und 28 befestigt, und zwar so, daß die Enden der faseroptischen Spule 41 durch Aneinanderstoßen an die entsprechenden Wellenleiter gekoppelt sind. Licht von der Quelle verläßt daher die Wellenleiter 14 und 16 und tritt an den Enden 42 bzw. 44 der faseroptischen Sensorspule 41 ein, wodurch die beiden gegenläufigen Wellen gebildet werden, die gebraucht werden, um Drehbewegung mit Hilfe des Sagnac-Effekts zu messen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, erzeugt das Eingangslicht am Ende 42 der optischen Faser der Sensorspule 41 die gegen den Uhrzeigersinn laufende Welle und das Eingangslicht am Ende 44 die im Uhrzeigersinn umlaufende Welle.
Die gegenläufigen Wellen pflanzen sich durch die faseroptische Sensorspule 41 fort und erfahren eine Phasenverschiebung, wenn die faseroptische Sensorspule 41 sich um eine Linie dreht, die senkrecht zur Ebene der Spule liegt. Die im Uhrzeigersinn umlaufende Welle tritt dann in den Wellenleiter 16 ein, und die gegen den Uhrzeigersinn umlaufende Welle tritt in den Wellenleiter 14 ein. Die phasenverschobenen Wellen laufen dann in die Gabelung 18, in der sie zusammengeführt werden und ein Interferenzmuster ausbilden. Ein faseroptischer Koppler 49 koppelt nun die kombinierten Wellen aus der Faser 48 aus und in eine optische Faser 51 ein. Die Faser 51 führt das Licht zu einem Detektor 53, der ein elektrisches Signal entsprechend dem Interferenzbild erzeugt. Signalverarbeitende Schaltkreise ermitteln die Drehzahl der faseroptischen Sensorspule 41.
In Fig. 4 ist die Befestigung des Wellenleiters 14 in der Aussparung 26 mit mehr Einzelheiten gezeigt als in Fig. 3. Der Kern der faseroptischen Sensorspule 41 hat einen Brechungsindex von etwa n₁=1,45, während der Wellenleiter 14 einen Brechungsindex von ungefähr n₂=2,2 hat. Von der elektromagnetischen Theorie her ist bekannt, daß ein Teil des Lichts, welches auf eine Grenzfläche zwischen dielektrischen Materialien fällt, welche verschiedene Brechungsindizes haben, und welches über die Grenzfläche von einem Material in das andere eindringt, gebrochen wird und der übrige Teil des Lichtes von der Grenzfläche reflektiert wird. Diese Reflexion wird manchmal Fresnel-Reflexion genannt. Der reflektierte Teil des Lichtes ist durch einen Reflexionskoeffizienten R gekennzeichnet. Für senkrechtes Auffallen des Lichtes auf die Grenzfläche ist der Reflexionskoeffizient:
Das bedeutet, daß ungefähr 21% des auffallenden Lichtes in die faseroptische Sensorspule zurückreflektiert würde, wenn das Licht auf die Wellenleiter auftrifft, nachdem es die faseroptische Sensorspule 41 durchlaufen hat. Diese Rückreflexion von Wellen in die faseroptische Sensorspule 41 mischt die im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn umlaufenden Wellen und erzeugt ernstzunehmende Fehler im Ausgang des faseroptischen Drehbewegungsnachweissystems.
Um die Menge des reflektierten Lichts, welches in der faseroptischen Sensorspule 41 verbleibt, zu minimieren, werden die Aussparungen so ausgebildet, daß das Licht auf die Grenzfläche zwischen optischer Faser und Wellenleiter bei einem Winkel von 10 bis 15 Grad auffällt, wie in Fig. 2 und 4 gezeigt ist. Das Ende der faseroptischen Sensorspule 41 und der Wellenleiter 14 sind durch Anstoßen miteinander gekoppelt, und zwar so, daß der Kern 46 der Faser mit dem Wellenleiter ausgerichtet ist.
Der Pfeil 51 repräsentiert Licht, welches sich in dem Kern 46 gegen die Grenzfläche 52 zwischen dem Kern 46 und dem Wellenleiter 14 ausbreitet. Ein Teil des Lichtes, das sich in der Faser gegen die Grenzfläche 52 ausbreitet, wird in den Wellenleiter 16 gebrochen, und ein Teil des Lichtes wird reflektiert werden. Der Pfeil 54 repräsentiert das Licht, das an der Grenzfläche 52 reflektiert wird. Der Pfeil 56 repräsentiert den Anteil des reflektierten Lichts, das den Kern 46 durch Brechung an der Kernmantelgrenzfläche verläßt. Der Pfeil 58 repräsentiert den Anteil des Lichts, welcher an der Grenzfläche 52 reflektiert wird und der im Kern 46 geführt bleibt. Der Pfeil 60 repräsentiert den Teil des einfallenden Lichts, der an der Grenzfläche 42 bricht und von der optischen Faser 40 in den Wellenleiter 14 übergeführt wird.
Entsprechend dem Brechungsgesetz ist der Winkel R des ausfallenden Lichts relativ zur Oberflächennormalen der Grenzfläche 52 gleich dem Einfallswinkel Φ. Das meiste reflektierte Licht wird dann die Kernmantelgrenzfläche bei Winkeln streifen, die kleiner sind als der kritische Winkel für interne Totalreflexion, und wird deshalb aus dem Kern in den Mantel gebrochen. Ein kleiner Anteil des Lichts, der auf die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel auffällt, wird bei Winkeln in den Kern zurückgestrahlt, bei denen der Kern ihn weiterführt. Oberflächenirregularitäten an der Grenzfläche werden etwas Licht zurück in den Kern streuen, und zwar bei Winkeln, bei denen der Kern einen kleinen Teil des gestreuten Lichts führt. Fällt das Licht auf die Grenzfläche zwischen Faser und Wellenleiter aber bei einem Winkel von 10-15 Grad auf, reduziert sich das reflektierte Licht um 60 dB.
Die Doppelbrechung der Wellenleiter und der optischen Fasern führt üblicherweise zu zusätzlichen Problemen, die aber von der Erfindung vermieden werden. Die optischen Signale besitzen zwei orthogonale lineare Polarisationsrichtungen. Doppelbrechung hat zur Folge, daß die beiden Komponenten mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen etwas unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben. Frühere Versuche, Drehbewegungssensoren mit optischen Fasern zu verwirklichen, schlossen ein Ausrichten der Doppelbrechungsachsen der faseroptischen Spule 41 mit denen der Wellenleiter 14 und 16 ein. Schlechtes Ausrichten der Achsen der Faser und der Wellenleiter, mit denen sie durch Aneinanderstoßen gekoppelt ist, verursacht bei beiden Polarisationsrichtungen in der Faser Komponenten in beiden Richtungen im Wellenleiter. Ähnlich haben dann beide Polarisationen im Wellenleiter Komponenten entlang beider Achsen der Faser. Daher gibt es immer, wenn sich das Licht über die Grenzfläche zwischen Faser und Wellenleiter fortpflanzt, eine nicht zu vernachlässigende Kreuzkopplung der zwei Polarisationen. In früheren Systemen verursachte die Polarisationskreuzkopplung sich sinusartig verändernde systematische Fehler, die nicht korrigiert werden konnten.
Die optische Signalquelle, die in einem typischen faseroptischen Dreh­ bewegungsnachweissystem benutzt wird, ist eine Breitbandeinheit, die optische Signale mit einer Kohärenzlänge von ungefähr 50 µm abgibt. Da die Wellenleiter doppelbrechend sind, werden die beiden Polarisationszustände so voneinander abhängig, daß es keine wahrnehmbare Beziehung mehr zwischen einer Polarisationskomponente entlang einer der Achsen und einer Polarisationskomponente entlang der anderen Achse gibt. Die Entfernung, die nötig ist, um die Polarisationskomponenten voneinander unabhängig zu machen, ist die Depolarisationslänge.
Ein Ausrichten der Achsen der Doppelbrechung ist sehr arbeitsintensiv und daher teuer. Es war bisher unmöglich, Faserachsen und Wellenleiterachsen genügend genau auszurichten, um eine Polarisationskreuzkopplung zu vermeiden.
Die Erfindung überwindet die Schwierigkeit durch die Polarisationskreuzkopplung, ohne daß strenge Anforderungen an die Ausrichtungen der doppelbrechenden Achsen der Wellenleiter 14 und 16 mit denen der Enden 42 und 44 der faseroptischen Sensorspule 41 gestellt werden. Die Längendifferenz der Wellenleiter 14 und 16 wird größer als die Kohärenzlänge gewählt. Die Differenz der Längen der Wellenleiter 14 und 16 verursacht eine Asymmetrie in der Polarisationskreuzkopplung. Durch diese Asymmetrie in der Polarisationskreuzkopplung können Abweichungen durch die Kreuzkopplung mit Hilfe von Signalverarbeitungstechniken eliminiert werden.
Die Aussparungen 22, 26 und 28 können durch eine geeignete Technik erzeugt werden, die man auch bei der Herstellung integrierter optischer Schaltkreise benutzt. Insbesondere sind "Laser Driven Fusion Etching" (Abtrag durch Verdampfen mit Laserlicht) oder "Reactive Ion Etching" (Abtrag durch Beschuß mit ionisierten, chemisch reaktiven Verbindungen) passende Techniken zur Ausbildung der Aussparungen. "Laser Driven Fusion Etching" (LDFE) hat den Vorteil großer Ätzraten gegenüber anderen Techniken. "Reactive Ion Etching" (RIE) wird von David J. Elliot, Integrated Circuit Fabrication Technology, p. 282 (McGraw-Hill, 1982) beschrieben. RIE benutzt beschleunigte Ionen, die auf ein Substrat auf einen Ort gerichtet werden, an dem die Ionen das Substrat dadurch ätzen, daß sie zum einen physikalisch Substratmaterial zerstäuben und zum anderen chemisch reagieren.
Beim "Laser Driven Fusion Etching" richtet man Strahlung auf ein ionisierbares Substrat, welches auf seiner Oberfläche mit einer Lage von Reaktionsmaterial bedeckt ist. Die Strahlung, die vorzugsweise Licht eines Lasers ist, veranlaßt das reaktive Material, lokal an der Oberfläche des Substrats zu schmelzen. Durch das Schmelzen des Substrats geht das Substrat mit einem Reagenz eine vereinigende Reaktion (fusion reaction) ein. Ein geeignetes Lösungsmittel wird danach benutzt, um das Produkt der Vereinigungsreaktion zu beseitigen. "Laser Driven Fusion Etching" wird in US-PS 48 38 989 detailliert beschrieben. Die Benutzung von "Laser Driven Fusion Etching" für Lithiumniobat ist bei Ashby et al. veröffentlicht, Appl. Phys. Lett. 49 (8), 25. August 1986, pp 475-477.
Bei Anwendung auf Lithiumniobat erzeugt der "Laser Driven Fusion"-Prozeß ein räumlich lokalisiertes Schmelzen von LiNbO₃ durch Hochleistungslaserpulse mit einer Photonenenergie oberhalb des Bandabstands von LiNbO₃ (4,0 eV, 310 nm), was die Leistungsabgabe auf den Oberflächenbereich beschränkt. Die Photonenenergie soll so gering sein, daß eine entsprechend hohe Transmission durch eine Schicht von festem Kaliumfluorid (KF) erreicht wird, die sich auf der LiNbO₃-Oberfläche befindet. Das durch den Laser geschmolzene LiNbO₃ reagiert mit dem KF und bildet einen Komplex von Niobium-Oxifluorid-Anionen durch die Reaktion mit dem Salz. Der entstehende Festkörper ist hoch wasserlöslich, während LiNbO₃ in Wasser unlöslich ist. Auf diese Art wird bei Benutzung von Wasser nur von dem bestrahlten Bereich Material entfernt.
Beide Methoden, sowohl das "Reactive Ion Etching" als auch die "Laser Driven Fusion"-Technik, erzeugen Endfacetten in Spiegelqualität bei Winkeln von 10 bis 15 Grad an den Kanten des integrierten optischen Schaltkreises 10. Das ist gerade der gewünschte Winkel, damit verhindert wird, daß eine übermäßige Menge Licht an der Grenzfläche zwischen Wellenleiter und Faser in die Sensorspule zurückreflektiert wird. Früher benutzte Techniken zur Erzeugung von Kopplungsgräben benutzten das Polieren der Kanten des Substrats, so daß eine optische Faser an einem Wellenleiter in den optischen integrierten Schaltkreis gekoppelt werden konnte.

Claims (8)

1. Integrierter optischer Schaltkreis, gekennzeichnet durch
  • - ein Substrat, das aus einem optisch aktiven Material hergestellt ist und in dem eine Aussparung (22, 26, 28) ausgebildet ist, und
  • - ein optischer Wellenleiter (12, 14, 16), der in dem integrierten optischen Schaltkreis (10) ausgebildet ist, um optische Signale entlang einer ausgewählten Ausbreitungsachse zu führen, und der an einer Endwand (25) der Aussparung (22) eine Endfläche (23) des optischen Wellenleiters (12) aufweist, wobei die Endfläche (23) des optischen Wellenleiters so ausgebildet ist, daß ein Winkel mit der Ausbreitungsrichtung des Lichtes im optischen Wellenleiter (12) gebildet wird, um die Lichtmenge, die an der Endfläche (23) des optischen Wellenleiters (12) reflektiert wird, zu reduzieren.
2. Integrierter optischer Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (22, 26, 28) so ausgebildet ist, daß sie darin eine optische Faser (38, 40) aufnehmen kann, wobei die optische Faser (40) einen Kern (46) und einen den Kern umgebenden Mantel (48) hat, wobei die optische Faser (40) mit der Endfläche (42) des optischen Wellenleiters (14) durch Aneinanderstoßen gekoppelt ist, wobei eine Grenzfläche (52) so ausgebildet ist, daß Licht sich zwischen dem optischen Wellenleiter (14) und der optischen Faser (40) ausbreiten kann, und wobei der Winkel am Ende (42) des optischen Wellenleiters (14) so ausgebildet ist, daß Licht, das an der Grenzfläche (52) zurück in die optische Faser (40) reflektiert wird, auf die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel in einem Winkel auftritt, der eine Brechung des Lichts von dem Kern (46) in den Mantel (48) erlaubt.
3. Integrierter optischer Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel am Ende des optischen Wellenleiters (12, 14, 16) im Bereich von 5° bis 25° liegt.
4. Integrierter optischer Schaltkreis, gekennzeichnet durch
  • - ein Substrat, das aus einem optisch aktiven Material besteht,
  • - erste (12), zweite (14) und dritte optische Wellenleiter (16), die im Substrat ausgebildet sind und optische Signale entlang ausgewählten Ausbreitungsachsen führen,
  • - erste (22), zweite (26) und dritte Aussparungen (28), die an den Kanten des integrierten optischen Schaltkreises ausgebildet sind, die so mit den optischen Wellenleitern (12, 14, 16) in Beziehung stehen, daß eine Endwand (25) jeder Aussparung (22) eine Endfläche (23) des entsprechenden optischen Wellenleiters (12, 14, 16) einschließt, wobei die Endflächen (23) der optischen Wellenleiter (12, 14, 16) so ausgebildet sind, daß sie ausgewählte Winkel mit der Lichtausbreitungsrichtung in den optischen Wellenleitern (12, 14, 16) bilden, wobei der erste (12), zweite (14) und dritte optische Wellenleiter (16) an einer Gabelung (18) so miteinander verbunden sind, daß sie einen Y-Koppler so ausbilden, daß optische Signale, die bei dem integrierten optischen Schaltkreis an dem ersten optischen Wellenleiter (12) eingegeben werden, sich zu dem Y-Koppler fortpflanzen und sich dort zwischen dem zweiten (14) und dem dritten optischen Wellenleiter (16) aufteilen, und optische Signale, die an dem integrierten optischen Schaltkreis am zweiten (14) und dritten optischen Wellenleiter (16) eingegeben werden, am Y-Koppler kombiniert werden und miteinander interferieren.
5. Integrierter optischer Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Aussparung (22, 26, 28) so ausgebildet ist, daß darin eine Länge einer entsprechenden optischen Faser (38, 40) aufgenommen werden kann, wobei jede optische Faser (40) einen Kern (46) und einen den Kern (46) umgebenden Mantel (48) hat, wobei die optischen Fasern durch Aneinanderlegen an Endflächen (24) der optischen Wellenleiter (12) gekoppelt sind, wobei Grenzflächen gebildet werden, an denen sich Licht zwischen optischem Wellenleiter (12, 14, 16) und optischer Faser (38, 40) ausbreiten kann, wobei die Winkel am Ende der optischen Wellenleiter (12, 14, 16) so ausgebildet sind, daß das Licht, welches an den Grenzflächen in die optische Faser (40) zurückgestreut wird, auf die Grenzfläche zwischen Kern (46) und Mantel (48) unter einem Winkel auftrifft, der eine Brechung vom Kern in den Mantel hinein erlaubt.
6. Integrierter optischer Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel an den Enden der optischen Wellenleiter (12, 14, 16) im Bereich von 5° bis 25° liegt.
7. Faseroptischer Drehbewegungssensor (34), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • - eine optische Signalquelle (36),
  • - ein Substrat, das aus einem Stück optisch aktivem Material gebildet ist,
  • - ein erster (12), zweiter (14) und dritter optischer Wellenleiter (16), die in dem Substrat ausgebildet sind, um optische Signale von der optischen Signalquelle (36) entlang ausgewählter Ausbreitungsachsen zu führen, wobei erste (22), zweite (26) und dritte Aussparungen (28) an Kanten des integrierten optischen Schaltkreises ausgebildet sind, die mit den optischen Wellenleitern (12, 14, 16) so in Verbindung stehen, daß eine Endwand (25) jeder Aussparung (22) eine Endfläche (24) des entsprechenden optischen Wellenleiters (12) enthält, wobei die Endflächen (24) der optischen Wellenleiter (12) so ausgeformt sind, daß ausgewählte Winkel mit der Ausbreitungsrichtung von Licht in den optischen Wellenleitern (12) gebildet werden, wobei der erste, zweite und dritte optische Wellenleiter an einer Gabelung (18) so miteinander verbunden sind, daß sie einen Y-Koppler so bilden, daß optische Signale, die an die integrierte optische Schaltung an dem ersten optischen Wellenleiter (12) eingegeben werden, sich zu dem Y-Koppler ausbreiten und zwischen dem zweiten (14) und dem dritten optischen Wellenleiter (16) aufteilen, und daß optische Signale, die an dem integrierten optischen Schaltkreis an dem zweiten (14) und dem dritten optischen Wellenleiter (16) eingegeben werden, an dem Y-Koppler kombiniert werden und miteinander interferieren,
  • - eine erste optische Faser (38), die in der Aussparung (22) befestigt ist, um Licht von der optischen Signalquelle (36) zu dem ersten optischen Wellenleiter (12) zu führen,
  • - eine Sensorspule (41) aus einer optischen Faser, deren Enden (42, 44) in den zweiten (26) und dritten Aussparungen (28) befestigt sind, wobei die optischen Fasern (40) durch Aneinanderstoßen mit den Endflächen der optischen Wellenleiter (14, 16) gekoppelt sind, wobei sie Grenzflächen (52) ausbilden, über die Licht sich zwischen den optischen Wellenleitern (14, 16) und den optischen Fasern (40) ausbreiten kann, wobei die Winkel am Ende der optischen Wellenleiter so ausgeformt sind, daß ein Teil des Lichts, das an der Grenzfläche (52) in die optische Faser rückgestreut wird, in den Mantel (48) gebrochen wird,
  • - Mittel zur Polarisationskontrolle des Lichts, welches von den optischen Wellenleitern geführt wird,
  • - Mittel zur Modulation der Phase des Lichts, welches von den optischen Wellenleitern geführt wird,
  • - Mittel zum Nachweis (53) des Interferenzmusters der Lichtwellen, die in dem Y-Koppler zusammengeführt werden, und
  • - signalverarbeitende Einheiten (55) zum Nachweis der Drehzahl der Sensorspule (41) der optischen Faser.
8. Integrierter optischer Schaltkreis nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Längen des zweiten (14) und dritten Wellenleiters (16) größer ist als die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts.
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