DE4425358C2

DE4425358C2 - Optical isolator device for arrangement in the beam path between a laser beam source and an object

Info

Publication number: DE4425358C2
Application number: DE4425358A
Authority: DE
Inventors: Martin Palme; Harald Kiesling
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-08-04
Filing date: 1994-07-18
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2014-07-19
Also published as: DE4425358A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anordnung im Strah lengang zwischen einer Laserstrahlquelle und einem Objekt zur op tischen Isolation der Laserstrahlquelle gegen das von dem Objekt auf die Laserstrahlquelle in sich selbst rückreflektierte Licht.The invention relates to a device for arrangement in the beam lengang between a laser beam source and an object to the op table isolation of the laser beam source from that of the object light reflected back to itself in the laser beam source.

In der Lasertechnik werden optische Isolatoren dazu verwendet, die Wirkung möglicher objektseitiger Rückreflexionen des emit tierten Laserstrahles auf den Laser zu verhindern, um so Schwan kungen in der Betriebsweise oder einer Zerstörung des Resonators des Lasers zu vermeiden. Die nutzbare Lichtintensität kann im un günstigsten Fall mit 100% in Richtung der Laserstrahlquelle zu rückgekoppelt werden.Optical isolators are used in laser technology to: the effect of possible object-side back reflections of the emit Prevented laser beam on the laser to prevent swan in the operation or destruction of the resonator to avoid the laser. The usable light intensity can be in the un best case with 100% towards the laser beam source be fed back.

Die Rückkopplungsdämpfung D_R ergibt sich zu
The feedback loss D _R results in

wobei I_N die nutzbare Intensität des Laserstrahles und I_R eine als Störung am Laser wirksame, zurückgekoppelte Intensität eines in Richtung des Lasers zu diesem zurücklaufenden Störstrahles be zeichnet.where I _N the usable intensity of the laser beam and I _R an effective as a disturbance on the laser, feedback intensity of a returning in the direction of the laser to this disturbing beam be.

Forderungen für die optische Isolation der Laserstrahlquelle lie gen zwischen 30 und 60 dB (Dezibel).Requirements for the optical isolation of the laser beam source lie between 30 and 60 dB (decibels).

Eine Einfügungsdämpfung D_E ist als Verhältnis der Intensität I_O des Lasers zur nutzbaren Intensität I_N (nach Durchgang durch einen optischen Isolator) definiert zu
Insertion loss D _E is defined as the ratio of the intensity I _{O of} the laser to the usable intensity I _N (after passing through an optical isolator)

Als Gesamtdämpfung des Rückkopplungsvorganges ergibt sich
The total attenuation of the feedback process results

Zum Schutz vor Rückreflexionen des Lichts in die Laserstrahlquel le ist es bekannt, optische Isolatoren zu verwenden, die auf dem Effekt der Drehung von linear polarisiertem Licht durch ein Mag netfeld beruhen, wie dies von Faraday entdeckt wurde. Der einfal lende Lichtstrahl durchläuft in diesem Fall einen Polarisator und wird linear polarisiert. Anschließend dreht ein Faraday-Rotator durch ein Magnetfeld die Polarisationsebene um 45° im Uhrzeiger sinn, so daß die Durchlaßrichtung des folgenden Analysators er reicht wird. Das rückreflektierte Licht trifft auf den Analysa tor, wird in Durchlaßrichtung polarisiert und anschließend durch den Faraday-Rotator wieder um 45° im Uhrzeigersinn gedreht. Das rückreflektierte Licht trifft somit auf den Polarisator mit einer zur Durchlaßrichtung um 90° gedrehten Polarisationsebene. Hierzu wird paramagnetisches Glas oder werden YIG-Kristalle (Yttrium- Iron-Garnet) verwendet, die eine große Verdet-Konstante haben. Auf diese Weise werden für einen Wellenlängenbereich von 515 nm bis 1550 nm und Aperturdurchmesser von 1 bis 4 mm optische Isola tionen zwischen 30 und 60 dB erreicht. Die Einfügeverluste D_E lie gen zwischen 0,8 und 2,0 dB. Typische Baugrößen solcher optischer Isolatoren, die auf dem Effekt der Drehung der Polarisationsebene beruhen, liegen bei 50 mm Länge und Durchmessern von 40 mm.To protect against back reflections of the light in the laser beam source it is known to use optical isolators based on the effect of the rotation of linearly polarized light through a magnetic field, as was discovered by Faraday. In this case, the incident light beam passes through a polarizer and is linearly polarized. Then a Faraday rotator rotates the polarization plane by 45 ° clockwise by a magnetic field, so that the forward direction of the following analyzer is sufficient. The back-reflected light strikes the analyzer, is polarized in the forward direction and then rotated again by the Faraday rotator by 45 ° clockwise. The back-reflected light thus strikes the polarizer with a polarization plane rotated through 90 ° with respect to the transmission direction. For this purpose, paramagnetic glass or YIG crystals (yttrium iron garnet) are used, which have a large Verdet constant. In this way, optical isolations between 30 and 60 dB are achieved for a wavelength range from 515 nm to 1550 nm and aperture diameters from 1 to 4 mm. The insertion losses D _{E are} between 0.8 and 2.0 dB. Typical sizes of such optical isolators, which are based on the effect of the rotation of the polarization plane, are 50 mm in length and 40 mm in diameter.

Bei Laserdioden, die in Fasern einkoppeln (pigtails), ist das vorerläuterte Faraday-Prinzip der optischen Isolation ebenfalls verwendbar. Die bekannten Bauelemente sind jedoch im Einsatz mit Laserdioden oftmals zu groß, zu schwer und zu teuer.This is the case with laser diodes that couple into fibers (pigtails) also explained Faraday principle of optical isolation usable. However, the known components are in use with Laser diodes are often too large, too heavy and too expensive.

Beim Einsatz von Halbleiterlasern in der Mikrooptik und in der Mikrosystemtechnik werden optische Isolatoren benötigt, die den Spezifika dieser Anwendungen im Hinblick auf Miniaturisierung, optische Parallelverarbeitung, Integrationsmöglichkeit und Mas senproduktion Rechnung tragen. Die Miniaturisierung erfordert an gepaßte, kostengünstige Lösungen, die hinsichtlich Gewicht und Volumen der Größenordnung von Mikro-Modulen entsprechen. Für ver schiedene Anwendungen haben Laser einen Überschuß an Intensität, die durch den Laser (I_O) oder die Empfängerempfindlichkeit be stimmt sein kann und die teilweise verbraucht werden kann oder muß. Der einfallende Laserstrahl (Nutzstrahl) kann und soll daher einer vorgegebenen Einfügungsdämpfung (D_E) unterliegen, wobei Ein fügedämpfungen von größer 3 dB möglich sind. Für integrierte Opti ken sind optische Isolatoren erforderlich, die an die Bedingungen der Wellenleitung angepaßt sind. Überdies fordert die Mikrooptik für optische Parallelverarbeitung mit geschichteter planarer Op tik Isolatoren, die an den Einsatz vor. Laserdioden-Zeilen ange paßt sind. Diesen Anforderungen wird mit herkömmlichen, auf dem Faraday-Effekt beruhenden oder die Polarisationseigenschaften von Kristallen ausnützenden Isolatoren nicht entsprochen.When using semiconductor lasers in micro-optics and microsystem technology, optical isolators are required that take into account the specifics of these applications with regard to miniaturization, optical parallel processing, integration options and mass production. Miniaturization requires customized, cost-effective solutions that correspond to the size and size of micro-modules in terms of weight and volume. For various applications, lasers have an excess of intensity which can be determined by the laser (I _O ) or the receiver sensitivity and which can or must be partially consumed. The incident laser beam (useful beam) can and should therefore be subject to a predetermined insertion loss (D _E ), with insertion losses of greater than 3 dB being possible. For integrated optics, optical isolators are required which are adapted to the conditions of the waveguide. In addition, the micro-optics for optical parallel processing with layered planar optical isolators demands that the use. Laser diode rows are fitted. These requirements are not met with conventional insulators based on the Faraday effect or utilizing the polarization properties of crystals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Isolation einer Laserstrahlquelle gegen Rückreflexionen anzugeben, die einfach, kostengünstig und auf die Erfordernisse der spezifischen geometrischen Bedingungen der Mikrooptik, der Mikrosystemtechnik und Wellenleitertechnik abstimmbar ist und ei ne hohe Rückkopplungsdämpfung aufweist.The invention has for its object a device for Optical isolation of a laser beam source against back reflections specify which is simple, inexpensive and based on requirements the specific geometric conditions of micro-optics, the Microsystem technology and waveguide technology is tunable and egg ne has high feedback loss.

Die vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß jeweils durch die in den Patentansprüchen 1 bzw. 2 angegebenen Vorrichtungen gelöst.According to the invention, the aforementioned tasks are achieved by the devices specified in claims 1 and 2, respectively solved.

Der Erfindung liegt die ebenso überraschende wie hinsichtlich ih rer Realisierung unkomplizierte Überlegung zugrunde, daß es zum Schutz der Laserstrahlquelle auch bei Anwendungsfällen, bei denen objektseitig die Gefahr einer 100%-igen Rückreflexion des Laser strahles in die Quelle besteht, möglich ist, unter Vermeidung ak tiver Isolatorprinzipien in Anpassung an die integrierte Optik und die Bedingungen der Wellenleitung, den Laserstrahl einer diffraktiven Strahl- und Energieteilung für den einfallenden und den zurücklaufenden Strahl zu unterziehen, derart, daß die Inten sität eines in die Laserstrahlquelle zurücklaufenden Störstrahles wesentlich geringer ist als die Intensität I_O des emittierten Lichtstrahles oder die nutzbare Intensität I_N.The invention is based on the surprising as well as uncomplicated consideration with regard to its implementation that it is possible to protect the laser beam source even in applications where there is a risk of 100% back reflection of the laser beam into the source on the object side, avoiding ak tive isolator principles in adaptation to the integrated optics and the conditions of the waveguide to subject the laser beam to a diffractive beam and energy split for the incident and the returning beam, such that the intensity of a returning interference beam in the laser beam source is significantly less than the intensity I _{O of} the emitted light beam or the usable intensity I _N.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil leichter Anpaßbarkeit an die Quelle sowie unkomplizierter Realisierbarkeit durch eine Vielfalt des Einsatzes diffraktiver optischer Elemente, deren optische Ei genschaften präzise auf die Eigenschaften des Laserstrahles ein stellbar sind.This approach has the advantage of being easily adaptable to the Source as well as uncomplicated feasibility through a variety the use of diffractive optical elements, their optical egg properties precisely on the properties of the laser beam are adjustable.

Nach einer ersten, im Patentanspruch 1 angegebenen Ausfüh rungsform der Erfindung, besteht die Vorrichtung aus mindes tens einem Diffraktionsgitter und einem reflektierende Eigen schaften aufweisenden Element, die so im Strahlengang angeord net sind, daß der vom Laser auf das Objekt gerichtete Laser strahl und der vom Objekt in sich selbst rückreflektierte La serstrahl mehrfach zwischen dem Diffraktionsgitter und dem re flektierende Eigenschaften aufweisenden Element hin- und her laufen, wobei beide Lichtstrahlen bei jedem Auftreffen auf das Diffraktionsgitter eine Aufspaltung in mehrere Beugungsordnun gen erfahren. Der Einfallswinkel des Laserstrahls auf das Diffraktinsgitter wird dabei unter Berücksichtigung der Licht wellenlänge und der Gitterkonstanten so gewählt, daß das vom Laser zum Objekt laufende Licht durch die Beugungsaufspaltun gen einen möglichst geringen Intensitätsverlust erleidet, wäh rend das vom Objekt in sich selbst rückreflektierte Licht durch die Beugungsaufspaltungen einen möglichst hohen Intensitätsverlsut erleidet.According to a first embodiment specified in claim 1 tion form of the invention, the device consists of at least at least one diffraction grating and one reflective eigen shank element, so arranged in the beam path net are that the laser aimed at the object by the laser ray and the La reflected back from the object in itself multiple times between the diffraction grating and the right element with reflective properties back and forth run, with both rays of light each time it hits the Diffraction grating splits into several diffraction orders gene experienced. The angle of incidence of the laser beam on the Diffraction grating is taking into account the light wavelength and the lattice constant so chosen that the Laser light to the object through the diffraction splitting suffered as little loss of intensity as possible rend the light reflected back from the object in itself the highest possible loss of intensity due to the diffraction splits suffers.

Gemäß der in Patentanspruch 2 angegebenen weiteren Lösung wird ein optischer Isolator geschaffen, bei dem mehrere Transmissions gitter so im Strahlengang zwischen Laser und Objekt angeordnet sind, daß sie jeweils denselben Neigungswinkel miteinander ein schließen. Bei jedem Auftreffen auf die Gitter erfahren die Strahlen eine Aufspaltung in mehrere Beugungsordnungen. Der Ein fallswinkel des Laserstrahls auf die Gitter wird dabei so ge wählt, daß das vom Laser zum Objekt laufende Licht durch die Beu gungsaufspaltungen an den Gittern einen minimalen Intensitätsver lust erleidet, während das vom Objekt in sich rückreflektiert Licht durch die Beugungsaufspaltungen einen möglichst hohen In tensitätsverlust erleidet.According to the further solution specified in claim 2 created an optical isolator in which multiple transmissions grid arranged in the beam path between the laser and the object are that they each have the same angle of inclination with each other conclude. Each time they hit the grille, they experience Radiate a split into several diffraction orders. The one Fall angle of the laser beam on the grating is so ge chooses that the light running from the laser to the object through the Beu tion splits on the gratings a minimal intensity ver lust suffers, while that reflects back on itself from the object Light through the diffraction splits as high as possible loss of intensity.

Vorzugsweise weist der optische Isolator als Beugungsgitter zu mindest ein Reflexions-Gitter und/oder ein Transmissions-Gitter auf, das ein lineares oder auch ein in mehreren Richtungen wirk sames, ebenes Gitter (wie z. B. ein Kreuzgitter) sein kann.The optical isolator preferably assigns as a diffraction grating at least one reflection grating and / or one transmission grating on that a linear or a multi-directional effect same, flat grid (such as a cross grid) can be.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in Ab hängigkeit von der Wellenlänge und dem Einfallswinkel des von der Laserstrahlquelle kommenden, einfallenden Laserstrahles sowie in Abhängigkeit von einer charakteristischen Konstanten des diffrak tiven optischen Elementes der einfallende Laserstrahl durch das diffraktive Gitter nur in die 0.Beugungsordnung und in die +1.Beugungsordnung unter Ausbildung eines Beugungswinkels zer legt, durch den nach einer Reflexion der in sich selbst auf das diffraktive Gitter rücklaufende Strahl der +1.Beugungsordnung dieser in die 0.Beugungsordnung, die +1.Beugungsordnung und die -1.Beugungsordnung zerlegt wird.According to a preferred embodiment of the invention in Ab dependence on the wavelength and the angle of incidence of the Coming, incident laser beam as well as in Dependence on a characteristic constant of the diffraction tive optical element of the incident laser beam through the diffractive gratings only in the 0th diffraction order and in the + 1. Diffraction order with formation of a diffraction angle zer through which after a reflection of the self in the diffractive grating returning beam of the + 1st diffraction order this into the 0th diffraction order, the + 1st diffraction order and the -1 diffraction order is broken down.

Es wird ferner bevorzugt, daß neben der optischen Isolation durch Diffraktion des Laserstrahles dieser auch zugleich einer, vorzugsweise vergrößernden oder verkleinernden Strahlformung (Strahlaufweitung bzw. Strahleinengung) in einer Dimension unter zogen wird.It is further preferred that in addition to the optical isolation by Diffraction of the laser beam also one, preferably at the same time enlarging or reducing beam shaping (Beam expansion or beam contraction) in one dimension below is pulled.

Vorzugsweise wird als diffraktives optisches Element zumindest ein Gitter verwendet, das als Oberflächenrelief ausgeführt ist, vorzugsweise ein tiefmoduliertes Phasengitter.Preferably, at least as a diffractive optical element uses a grid that is designed as a surface relief, preferably a deeply modulated phase grating.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen opti schen Isolators, der vorzugsweise durch ein Oberflächenrelief re alisiert werden kann und in einfachster Form ein lineares Phasen gitter ist, oder abbildende Eigenschaften aufweist und in Refle xion oder Transmission arbeitet, beugt das Gitter den einfallen den Laserstrahl nur in eine 0.Beugungsordnung und eine +1.Beu gungsordnung, unter Ausbildung eines Beugungswinkels, durch den nach einer objektseitigen Reflexion der in sich selbst auf das Gitter zurücklaufende Strahl der +1.Beugungsordnung in die 0.Beugungsordnung, die +1.Beugungsordnung und die -1.Beugungs ordnung zerlegbar ist.According to a preferred embodiment of the opti according to the invention rule isolator, which is preferably by a surface relief right can be alized and in the simplest form a linear phase is grid, or has imaging properties and in Refle xion or transmission works, the grating prevents the incident the laser beam only in a 0th diffraction order and a 1st 1st order order, with the formation of a diffraction angle through which after an object-side reflection of the in itself on the Grid returning beam of the + 1st diffraction order in the 0th diffraction order, the 1st diffraction order and the 1st diffraction order order can be dismantled.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Ausbildung nach Anspruch 1 weist der erfindungsgemäße optische Isolator zumindest zwei op tische Elemente auf, von denen zumindest eines diffraktives Git ter ist, wobei die Elemente prismenartig in Ebenen angeordnet sind, die unter einem Winkel zueinander verlaufen, derart, daß für jede Beugung an einem in der gleichen Ebene angeordneten op tischen Element der ursprüngliche Einfalls- oder Beugungswinkel reproduzierbar ist.In a preferred embodiment of the training according to claim 1, the optical isolator according to the invention has at least two op table elements, of which at least one diffractive Git ter is, the elements arranged prismatic in levels are at an angle to each other, such that for each diffraction at an op table element the original angle of incidence or diffraction is reproducible.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform dieses optischen Isola tors nach der vorliegenden Erfindung bildet dieser ein Prisma, dessen unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufende Seiten flächen zumindest ein ebenes Reflexions-Gitter sowie einen Spie gel und/oder ein weiteres, ebenes Reflexions-Gitter tragen. According to an advantageous embodiment of this optical isola tors according to the present invention, this forms a prism, its sides running at an acute angle to each other surface at least a flat reflection grating and a game wear gel and / or another flat reflection grating.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform dieser Ausbildung, die mit Vorteil für die optische Isolation einer Mehrzahl paral leler Laserstrahlen geeignet ist, weist der optische Isolator ein Prisma mit zwei diffraktiven Gittern und einer Spiegelfläche auf, wobei dieser optische Isolator auch die Möglichkeit einer Vertau schung der Reihenfolge der verschiedenen Laserstrahlenbündel be sitzt.In a further, preferred embodiment of this training, which are advantageous paral for the optical isolation of a plurality The laser isolator has a suitable laser beam Prism with two diffractive gratings and a mirror surface on, with this optical isolator also the possibility of a stowage the order of the different laser beams sitting.

Für den Fall der Beibehaltung einer vorgegebenen Richtung des La serstrahles, gegebenenfalls unter paralleler Strahlversetzung, weist der optische Isolator nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Ausbildung nach Anspruch 1 ein Prisma mit ei nem Transmissions-Gitter und einem Reflexions-Gitter auf einer Strahleintrittsseite, einem Reflexions-Gitter auf einer weiteren Seite und einem Transmissions-Gitter auf einer Strahlaustritts seite des Prismas auf.In the case of maintaining a given direction of La ser rays, possibly with parallel beam displacement, has the optical isolator according to another advantageous Embodiment of the training according to claim 1, a prism with egg a transmission grating and a reflection grating on one Beam entry side, a reflection grating on another Side and a transmission grating on a beam exit side of the prism.

Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen opti schen Isolators nach Anspruch 1 weist dieser ein Prisma mit einem abbildenden diffraktiven optischen Element (DOE), vorzugsweise einem holografisch optischen Element (HOE), zur Einstrahlung des Laserlichtbündels, z. B. von einer Laserdiode, auf, in Verbindung mit zwei Reflexions-Gittern an den in einem spitzen Winkel zuein ander verlaufenden Seiten des Prismas, das nach Strahlaufweitung des parallelen Bündels in einer Dimension an seiner Strahlaus trittsseite ein Transmissions-Gitter aufweist.According to a further embodiment of the opti rule isolator according to claim 1, this has a prism with a imaging diffractive optical element (DOE), preferably a holographic optical element (HOE) for irradiating the Laser light beam, e.g. B. from a laser diode, in connection with two reflection grids at an acute angle other sides of the prism, which after beam expansion of the parallel bundle in one dimension on its beam has a transmission grating on the exit side.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ferner ein diffraktives Gitter in vertikaler Anordnung in Verbindung mit ei nem Schichtwellenleiter vorgesehen, wobei die Gitterstruktur (Oberflächenrelief) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung von in dem Schichtwellenleiter geführten Moden angeordnet ist und diese Git terstruktur in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Laserlichtes, dem Einfallswinkel und den Gitterparametern ebenfalls eine höhere Beugungseffektivität für den emittierten Laserstrahl gegenüber einem in sich reflektierten, auf das Gitter zurücklaufenden Strahl aufweist.According to a further embodiment of the invention, a diffractive grid in a vertical arrangement in connection with egg NEM layer waveguide provided, the grating structure (Surface relief) perpendicular to the direction of propagation from in the Layer waveguide guided modes is arranged and this Git structure depending on the wavelength of the laser light, the angle of incidence and the lattice parameters are also higher Diffraction effectiveness for the emitted laser beam compared one reflected in itself, returning to the grid Beam.

Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen opti schen Isolators sind in den übrigen Unteransprüchen dargestellt.Further, preferred configurations of the opti according to the invention rule isolators are presented in the remaining claims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:The invention is described below using exemplary embodiments and associated drawings explained in more detail. In these show:

Fig. 1 das Grundprinzip der anmeldungsgemäßen optischen Isolato ren anhand eines Transmissionsgitters, wobei Fig. 1a ei nen Strahlenverlauf bis zu einer objektseitigen Reflexion und Fig. 1b einen Strahlenverlauf des zurückreflektierten Strahles zeigt, Fig. 1 the basic principle according to the application optical Isolato ren, using a transmission grating, Fig. 1a ei NEN beam path up to an object-side reflection and Fig. 1b shows a beam path of the reflected beam back,

Fig. 2 das Grundprinzip der anmeldungsgemäßen optischen Isolato ren anhand eines Reflexions-Gitters, wobei Fig. 2a einen Strahlenverlauf für den emittierten Laserstrahl (vor einer objektseitigen Reflexion) und Fig. 2b den Strahlenverlauf des zurückreflektierten Strahles (nach einer objektseiti gen Reflexion) zeigt, Fig. 2 shows the basic principle according to the application optical Isolato ren basis of a reflection grating, Fig. 2a shows a beam path of the emitted laser beam (before an object-side reflection) and Fig. 2b the beam path of the returning reflected beam (after a objektseiti gen reflection) shows

Fig. 3 ein Diagramm einer Gesamtdämpfung (D_E) und einer Rückkopp lungsdämpfung (D_R) als Funktion der Anzahl der Beugungen für ein diffraktives Gitter für verschiedene Transmissi ons- oder Reflexionsfaktoren, Fig. 3 is a diagram of an overall attenuation (D _E) and a rear coupler lung damping (D _R) as a function of the number of bendings for a diffractive grating for different TRANSMISSI ONS or reflection factors,

Fig. 4 eine Darstellung eines relativen Verlaufes der nutzbaren Intensität des Laserstrahles in Transmission oder Refle xion als Funktion der Zahl der Beugungen bei diffraktiven Gittern für Fälle A1, B1 und B2 nach Fig. 3, Fig. 4 is an illustration of a relative path of the usable intensity of the laser beam in transmission or Refle xion as a function of the number of inflections in diffractive gratings for cases A1, B1, and B2 of Fig. 3,

Fig. 5 einen optischen Isolator als Prisma mit zwei Reflexions- Gittern nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erläuterung der Reproduktion der Einstrahlungsverhältnisse für jedes Gitter, Fig. 5 is an optical isolator as a prism having two reflection gratings according to one embodiment of the invention for explaining the reproduction of the irradiation conditions for each grating,

Fig. 6 einen optischen Isolator als Prisma, einem Spiegel und ei nem ebenen Phasenrelief-Gitter nach einem weiteren Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung, Fig. 6 shows an optical isolator as a prism, a mirror and ei nem planar relief phase grating according to a further exporting approximately example of the invention,

Fig. 7 einen optischen Isolator mit einem Prisma ähnlich der Aus führungsform nach Fig. 6, jedoch mit zwei Phasenrelief- Gittern nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfin dung, Fig. 7 an optical isolator with a prism similar to that of guide die according to Fig. 6, but with two extension Phasenrelief- gratings according to a further embodiment of the OF INVENTION,

Fig. 8 einen optischen Isolator mit einem Prisma, zwei Gittern und einer Spiegelfläche, insbesondere für eine Mehrzahl paralleler Lichtstrahlen nach einem weiteren Ausführungs beispiel der Erfindung, Fig. 8 is an optical isolator with a prism, two grids, and a mirror surface, particularly for a plurality of parallel light beams according to another execution example of the invention,

Fig. 9 einen optischen Isolator mit einem Prisma, zwei Refle xions-Gittern und zwei Transmissions-Gittern zur Strahlein- und -auskopplung unter Beibehaltung der vorge gebenen Einstrahlungsrichtung, Fig. 9 an optical isolator with a prism, two Refle Xion gratings and two transmission gratings for Strahlein- and -auskopplung while maintaining one of the given irradiation direction,

Fig. 10 einen optischen Isolator mit einem Prisma und gleichzeiti ger Strahlformung in einer Dimension (Strahlaufweitung) nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 10 an optical isolator with a prism and gleichzeiti ger beamforming in one dimension (beam expansion) according to another embodiment of the invention,

Fig. 11 einen optischen Isolator mit einem Prisma Und gleichzeiti ger Strahlformung in einer Dimension (Strahlverkleinerung) nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 11 an optical isolator with a prism and gleichzeiti ger beamforming in one dimension (beam reduction) according to another embodiment of the invention,

Fig. 12 einen optischen Isolator mit einer Mehrzahl von Transmis sions-Gittern nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 12 is an optical isolator having a plurality of Transmis sions gratings according to a further embodiment of the invention,

Fig. 13 einen optischen Isolator mit einem aus zwei Prismen be stehenden Doppelprisma, zwei Spiegeln und einem Transmi sions-Gitter nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 13 is an optical isolator comprising a stationary be of two prisms double prism, two mirrors and a Transmi sions grating, according to another embodiment of the invention

Fig. 14 einen optischen Isolator als Kreuzgitter nach einem wei teren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 14 an optical isolator as a cross grating for a wei more advanced embodiment of the invention, and

Fig. 15a einen optischen Isolator in Verbindung mit einem Schicht wellenleiter nach einer weiteren Ausführungsform der Er findung, FIG. 15a an optical isolator in conjunction with a film waveguide according to a further embodiment of he invention,

Fig. 15b eine Einzelheit 1 nach Fig. 15a, und Fig. 15b shows a detail 1 of FIG. 15a, and

Fig. 15c die Einzelheit nach Fig. 15b in perspektivischer Darstel lung. Fig. 15c, the detail of Fig. 15b in perspective presen- tation.

Das Funktionsprinzip, das dem anmeldungsgemäßen optischen Isola tor zugrundeliegt, wird nachstehend anhand der grundsätzlichen Anordnungen nach Fig. 1 und 2 unter Einschluß der zugrundeliegen den physikalischen Zusammenhänge erläutert.The functional principle on which the optical isolator according to the application is based is explained below on the basis of the basic arrangements according to FIGS. 1 and 2, including the underlying physical relationships.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung 1, die hier aus einer lichtdurch lässigen Platte 2 besteht, an deren Oberseite ein diffraktives Gitter 3, das in diesem Fall zur Beugung eines einfallenden Laserlichtstrahles Se als Transmissions-Gitter 4 ausgelegt ist, aufgebracht ist. Fig. 1 shows an arrangement 1 , which here consists of a translucent plate 2 , on the top of which a diffractive grating 3 , which is designed in this case for diffraction of an incident laser light beam Se as a transmission grating 4 , is applied.

Während Fig. 1a den Fall der Einstrahlung des von einer hier nicht gezeigten Laserstrahlquelle emittierten einfallenden Laser strahles Se zeigt, ist in Fig. 1b der umgekehrte Strahlengang nach Reflexion des aus der Anordnung 1 austretenden, gebeugten Lichtstrahles Sa an einem Objekt 5 dargestellt.While Figure 1a in the case of irradiation shows. Of light emitted from a not shown laser beam source incident laser beam Se, 1b, the reverse optical path is shown by reflection of light emerging from the device 1, the diffracted light beam Sa to an object 5 in Fig..

Zur optischen Isolation wird bei einer solchen Anordnung 1 die Eigenschaft des Gitters 3 genutzt, unter Anpassung der Gitterkon stanten g an die Lichtwellenlänge λ, Beugungsordnungen, insbeson dere höhere Beugungsordnungen in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α des einfallenden Laserstrahles Se zu unterdrücken. Überdies ist eine unterschiedliche Beugungseffektivität bei unterschiedlichen Einfallswinkeln α gegeben.For optical isolation, the property of the grating 3 is used in such an arrangement 1 , by adapting the grating constants g to the light wavelength λ, diffraction orders, in particular higher diffraction orders depending on the angle of incidence α of the incident laser beam Se to be suppressed. In addition, there is a different diffraction efficiency at different angles of incidence α.

Im einfachsten Fall ist das Gitter 3 ein lineares Phasengitter, das zum Beispiel durch ein Oberflächenrelief realisiert werden oder das abbildende Eigenschaften aufweisen kann.In the simplest case, the grating 3 is a linear phase grating that can be realized, for example, by means of a surface relief or that can have imaging properties.

Das Gitter 3 kann, wie in den Fig. 1a und 1b für Transmission o der, wie in Fig. 2a und Fig. 2b gezeigt, für Reflexion ausgelegt werden.The grating 3, as shown in FIGS. 1a and 1b for transmission of o, as shown in Fig. 2a and Fig. 2b, are designed for reflection.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden unter dem Begriff diffraktives Gitter oder diffraktives optisches Element Diffrak tionselemente bzw. -gitter beider Art verstanden, d. h. Beugungs gitter, die entweder für Reflexion oder Transmission ausgelegt sind.In the context of the present application, the term diffractive grating or diffractive optical element diffraction tion elements or grids of both types understood, d. H. diffraction grating designed for either reflection or transmission are.

Durch Abstimmung der Gitterkonstanten g des Transmissions-Gitters 4 in Fig. 1a auf die Lichtwellenlänge λ des einfallenden Licht strahles Se sowie den Einfallswinkel α wird erreicht, daß der einfallende Lichtstrahl Se nur in die 0. und +1.Beugungsordnung zerlegt wird und höhere Beugungsordnungen nicht auftreten.By tuning the grating constant g of the transmission grating 4 in Fig. 1a to the light wavelength λ of the incident light beam Se and the angle of incidence α it is achieved that the incident light beam Se is broken down only into the 0th and + 1st diffraction orders and higher diffraction orders do not occur.

Dabei ergibt sich der Beugungswinkel β_e derart, daß bei Rückrefle xion an dem Objekt 5 und Auftreten eines Rückreflexionsstrahles Sr, der unter dem Einfallswinkel α_r (= Beugungswinkel β_e) auf das Transmissions-Gitter 4 rückreflektiert wird, dieser rückreflektierte Lichtstrahl Sr in die 0. und -1.Ordnung sowie zusätzlich in die +1.Ordnung zerlegt wird, wobei lediglich der Strahlteil der +1.Ordnung in Richtung der Laserstrahlquelle als Störstrahl Ss reflektiert wird. Im übrigen aber wird das Licht in drei Strahlenbündel aufgeteilt, so daß der in Richtung der Laserquelle gehende Anteil um den Betrag der Intensität der 0. und -1.Ordnung geschwächt wird, so daß sich eine unterschiedliche In tensitätsbilanz für die Einstrahlungsrichtung und für die Rückre flexionsrichtung und damit eine entsprechende optische Isolation der Laserstrahlquelle ergibt.This results in the diffraction angle β _e such that when back reflection on the object 5 and the occurrence of a back reflection beam Sr, which is reflected back at the angle of incidence α _r (= diffraction angle β _e ) onto the transmission grating 4 , this back-reflected light beam Sr enters the 0th and 1st order as well as additionally broken down into the 1st order, only the beam part of the 1st order being reflected in the direction of the laser beam source as an interference beam Ss. However, the rest of the light is divided into three beams, so that the portion going in the direction of the laser source is weakened by the amount of intensity of the 0th and 1st order, so that there is a different intensity balance for the direction of irradiation and for the return direction of flexion and thus a corresponding optical isolation of the laser beam source.

Der Zusammenhang der Winkel für Transmission (Fig. 1) ist durch die Gittergleichung gegeben:
The relationship of the angles for transmission ( Fig. 1) is given by the lattice equation:

Für Reflexion (Fig. 2) unterscheidet sich die Gittergleichung nur durch ein Vorzeichen.For reflection ( Fig. 2), the grating equation differs only by a sign.

In der Gittergleichung (4) bezeichnet λ die Wellenlänge, k die Beugungsordnung, α den Einfallswinkel und β den Beugungswinkel in Transmission.In the grating equation ( 4 ) λ denotes the wavelength, k the diffraction order, α the angle of incidence and β the diffraction angle in transmission.

Das Transmissionsgitter 4 ist in der einfachsten Form ein li neares Phasengitter, das durch ein Oberflächenrelief reali siert wird. Für bestimmte Anwendungsfälle kann gegebenenfalls das Gitter abbildende Eigenschaften aufweisen.The transmission grating 4 is in its simplest form a linear phase grating which is realized by a surface relief. For certain applications, the grid may have imaging properties.

Die Einstellung der Beugungseffektivität des Transmissions- Gitters 4 für den Einfallswinkel α erfolgt bei Ausbildung des Transmissions-Gitters als Oberflächenrelief mit entsprechender Wahl der Verhältnisse der Lichtwellenlänge λ zur Furchentiefe des Oberflächenreliefs h (Modulationstiefe) und zur Gitterkonstante g. Derjenige Einfallswinkel α, der nur eine Beugungsordnung hat, wird durch folgende Bedingung bestimmt:
The diffraction effectiveness of the transmission grating 4 for the angle of incidence α is set when the transmission grating is designed as a surface relief with a corresponding choice of the ratios of the light wavelength λ to the groove depth of the surface relief h (modulation depth) and to the grating constant g. The angle of incidence α which has only one diffraction order is determined by the following condition:

Der Zusammenhang zwischen Einfalls- und Beugungswinkel α, β (hier α_E, β_E) ist durch die vorgenannte Gittergleichung gegeben.The relationship between the angle of incidence and the angle of diffraction α, β (here α _E , β _E ) is given by the aforementioned grid equation.

Der in Fig. 1a aus dem Transmissions-Gitter 4 austretende, ge beugte Lichtstrahl Sa (Nutzstrahlrichtung) wird um den Betrag der Intensität in der 0.Beugungsordnung geschwächt. Das als Stör strahl Ss von dem Tranmissions-Gitter in Richtung der Laser strahlquelle gebeugte Licht der +1.Beugungsordnung ist um den Be trag der Intensitäten in Richtung der 0.Beugungsordnung und der -1.Beugungsordnung geschwächt.The exiting in Fig. 1a from the transmission grating 4 ge bent beam Sa (the effective radiation) is weakened by the amount of intensity in the 0.Beugungsordnung. The light of the + 1st diffraction order diffracted as interference beam Ss from the transmission grating in the direction of the laser beam source is weakened by the amount of the intensities in the direction of the 0th diffraction order and the 1st diffraction order.

Die Beugungseffektivität des Gitters 3 ist außerdem eine Funktion des Einfallswinkels α des Laserstrahles S_e und liefert für den Einfallswinkel α = α_e = β_r und für den Rückreflexions-Einfalls winkel des rückreflektierten Strahles Sr (Fig. 1b) α = α_r = β_e un terschiedliche Werte der Transmission, d. h. es ergeben sich, auch wenn die -1.Beugungsordnung nicht auftritt, unterschiedliche Transmissionsfaktoren W_a und W_b für unterschiedliche Einfalls winkel α. Der Transmissionsfaktor bzw. Reflexionsfaktor (Aus führungsform nach Fig. 2) des einfallenden Lichtstrahles S_e ist mit W_a bezeichnet, W_b bezeichnet den Transmissionsfaktor bzw. Reflexionsfaktor (Fig. 2) des rückreflektierten Lichtstrah les S_r. Die nutzbare Intensität (IN) kann im ungünstigsten Fall vollständig in Isolationsrichtung auf die Laserstrahlquelle re flektiert werden. Für den in Richtung der Laserstrahlquelle, d. h. in Einfallsrichtung zurückgebeugten Störstrahl Ss (β_r = α_e) gilt dann als Intensitätsfaktor ein Transmissions- bzw. Reflexionsfak tor:
The diffraction effectiveness of the grating 3 is also a function of the angle of incidence α of the laser beam S _e and provides for the angle of incidence α = α _e = β _r and for the back reflection angle of incidence of the back-reflected beam Sr ( Fig. 1b) α = α _r = β _e different transmission values, ie there are different transmission factors W _a and W _b for different angles of incidence α, even if the 1st diffraction order does not occur. The transmission factor or reflection factor (from the embodiment according to FIG. 2) of the incident light beam S _e is designated W _a , W _b denotes the transmission factor or reflection factor ( FIG. 2) of the back-reflected light beam S _r . In the worst case, the usable intensity (IN) can be completely reflected in the direction of isolation onto the laser beam source. For the interference beam Ss (β _r = α _e ) which is deflected in the direction of the laser beam source, ie in the direction of incidence, a transmission or reflection factor then applies as the intensity factor:

für den Anteil der in Einfallsrichtung zurückgebeugten +1.Ordnung.for the proportion of those bent back in the direction of incidence +1 order.

Aus diesen Zusammenhängen ergeben sich mit den eingangs ge nannten Beziehungen (1) bis (3) zur Rückkopplungsdämpfung D_R, Einfügungsdämpfung D_E und Gesamtdämpfung D_G (D_G = D_R + D_E) die Dämpfungsgrößen. Die isolierende Wirkung des optischen Isola tors 1 wird von W_b, d. h. vom Transmissions- bzw. Reflexionsfak tor des Störstrahles Ss mit der Intensität W_b bestimmt.From these relationships, the damping quantities result from the relationships (1) to (3) for feedback loss D _R , insertion loss D _E and total loss D _G (D _G = D _R + D _E ). The insulating effect of the optical isolator 1 is determined by W _b , ie by the transmission or reflection factor of the interference beam Ss with the intensity W _b .

Da die Beugungseffektivität des Gitters 3 für die beiden Faktoren W_a und W_b jeweils nur in der gleichen Größenordnung veränderbar ist, empfiehlt es sich, das vorerläuterte Isolationsprinzip mehr fach anzuwenden. Für das Prinzip von N-fach hintereinanderge schalteten diffraktiven optischen Isolatoren gilt:
Since the diffraction effectiveness of the grating 3 can only be changed in the same order of magnitude for the two factors W _a and W _b , it is advisable to use the previously explained isolation principle more than once. The following applies to the principle of N-series diffractive optical isolators:

Die Wirksamkeit der optischen Isolation wird insgesamt von den Transmissions- bzw. Reflexionsfaktoren W_ak und W_bk für k = N be stimmt, d. h. vom Verlauf der Beugungseffektivität als Funktion des Einfallswinkels α. Dabei bestimmt W_ak die nach k Transmissio nen oder Reflexionen nutzbare Intensität und W_bk die nach k Trans missionen oder Reflexionen zurückgekoppelte Intensität. Die güns tigste Variante wird durch Optimierung des Effizienzverlaufes er reicht. Dabei wirken die Profilformen sowie die Verhältnisse der Wellenlänge λ zur Modulationstiefe h und zur Gitterkonstante g zusammen. Dieser Zusammenhang ist im Falle der Ausbildung des Gitters 3 als Oberflächenrelief nicht trivial, da hier eine ana lytische Lösung der Wellengleichung erforderlich wäre. Zwar sind numerische Lösungen unter verschiedenen Randbedingungen bekannt, jedoch sehr aufwendig und im allgemeinen nicht verfügbar. Aus ex perimentellen Untersuchungen können realistische Werte W_ak und W_bk für eine Wellenlänge von λ = 0,633 nm gewonnen werden, so daß mit den vorgenannten Beziehungen die Gesamtdämpfung D_G und die Einfü gedämpfung D_R berechnet werden kann. Entsprechende Diagramme sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt.The overall effectiveness of the optical isolation is determined by the transmission or reflection _factors W _ak and W _bk for k = N, ie by the course of the diffraction effectiveness as a function of the angle of incidence α. W _{ak determines} the intensity usable after k transmissions or reflections and W _{bk determines} the intensity _fed back after k transmissions or reflections. The cheapest option is achieved by optimizing the efficiency curve. The profile shapes and the ratios of the wavelength λ to the modulation depth h and the grating constant g interact. This relationship is not trivial in the case of the formation of the grating 3 as a surface relief, since an analytical solution of the wave equation would be required here. Numerical solutions are known under various boundary conditions, but they are very complex and generally not available. Realistic values W _ak and W _bk for a wavelength of λ = 0.633 nm can be obtained from experimental investigations, so that the total attenuation D _G and the insertion loss D _R can be calculated with the aforementioned relationships. Corresponding diagrams are shown in FIGS. 3 and 4.

Fig. 3 stellt den Verlauf der Gesamtdämpfung D_G und der Rückkopp lungsdämpfung D_R als Funktion der Zahl der Beugungen bei einem diffraktiven optischen Isolator für verschiedene Transmissions- oder Reflexionsfaktoren dar. Für die Fälle A1, B1 und B2 sind die Gesamtdämpfungen D_G bzw. die Einfügedämpfung D_E über der Anzahl der Beugungen (Transmissionen und/oder Reflexionen) N durch das diffraktive optische Element bzw. Gitter 3 aufgetragen. Fig. 3 shows the course of the total attenuation D _G and the feedback attenuation D _R as a function of the number of diffractions in a diffractive optical isolator for various transmission or reflection factors. For the cases A1, B1 and B2, the total attenuations D _G and the insertion loss D _E plotted against the number of diffractions (transmissions and / or reflections) N through the diffractive optical element or grating 3 .

Fig. 4 stellt den relativen Verlauf der Nutzintensität I_N in Transmission oder Reflexion als Funktion der Zahl der Beugungen bei diffraktiven optischen Isolatoren nach den Fällen A1, B1 und B2 dar. FIG. 4 shows the relative course of the useful intensity I _N in transmission or reflection as a function of the number of diffractions in diffractive optical isolators according to cases A1, B1 and B2.

Für den Effizienzverlauf gilt mit den experimentell ermittelten Zusammenhängen gemäß Fig. 3 und 4 zum Beispiel für ein tief modu liertes SIN-Gitter:
With the experimentally determined relationships according to FIGS. 3 and 4, the following applies to the efficiency curve, for example for a deeply modulated SIN grating:

h/g = 1,0, g = 0,75 µm, λ = 0,633 µm, α_e = -42°, β_e = 10,07°, W_ak = 0,65 und W_bk = 0, 20.h / g = 1.0, g = 0.75 µm, λ = 0.633 µm, α _e = -42 °, β _e = 10.07 °, W _ak = 0.65 and W _bk = 0, 20.

Das Beispiel gemäß Fig. 2 verdeutlicht die Ausführung des Beu gungsgitters 3 als Reflexions-Gitter 6, wobei Fig. 2a das Strahlenbild für die Einstrahlung und Fig. 2b das Strahlenbild für die Rückreflexion darstellt. Die Bezeichnungen folgen im übrigen denen des ersten Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1. Auch in diesem Fall sind Wellenlänge λ, Gitterkonstante g und Einfallswinkel α_e des einfallenden Laserstrahles Se so gewählt, daß die Beugung des einfallenden Laserstrahles Se in Reflexion mit dem Reflexionsfaktor W_a lediglich in die 0.Beugungsordnung und die +1.Beugungsordnung erfolgt. Der Beugungswinkel der ersten Ordnung ist wiederum mit β_e bezeichnet. Nach objektsei tiger Reflexion trifft der rückreflektierte Rückstrahl Sr un ter dem Einfallswinkel α_r (= Beugungswinkel β_e) auf das Refle xions-Gitter 6 und wird mit dem Reflexionsfaktor W_b in drei Strahlenbündel der 0.Beugungsordnung, der -1.Beugungsordnung und der +1.Beugungsordnung zerlegt, wobei lediglich das Licht der +1.Beugungsordnung in Einfallsrichtung wieder als Störstrahl zu der Laserstrahlquelle geführt wird, so daß die Intensität der Rückkopplung I_R wesentlich geringer ist als die Intensität des Lasers I_O oder die nutzbare Intensität I_N des Laserstrahles Sa der 1.Beugungsordnung in Nutzstrahlrichtung (Fig. 2a). Auch hier er gibt sich somit eine unterschiedliche Intensitätsbilanz des ein fallenden Laserlichtes Se sowie des austretenden Laserstrahles 1.Beugungsordnung Sa in Nutzstrahlrichtung gegenüber dem Stör strahl Ss in Richtung der Laserstrahlquelle.The example according to FIG. 2 illustrates the implementation of the diffraction grating 3 as a reflection grating 6 , FIG. 2a representing the radiation pattern for the irradiation and FIG. 2b the radiation pattern for the back reflection. The designations follow those of the first exemplary embodiment according to FIG. 1. Also in this case wavelength λ, grating constant g and angle of incidence α _{e of} the incident laser beam Se are chosen such that the diffraction of the incident laser beam Se in reflection with the reflection factor W _a only into the 0th diffraction order and the + 1st diffraction order. The first order diffraction angle is again designated β _e . After objektsei tiger reflection of the retro-reflected return beam Sr meets un ter the angle of incidence α _r (= angle of diffraction β _e) to the Refle Xion grating 6 and is compared with the reflection factor W _b into three beams of the 0.Beugungsordnung, the -1.Beugungsordnung and + 1st diffraction order, only the light of the + 1st diffraction order in the direction of incidence is again guided as an interference beam to the laser beam source, so that the intensity of the feedback I _{R is} significantly lower than the intensity of the laser I _O or the usable intensity I _N of the laser beam Sa of the 1st diffraction order in the direction of the useful beam ( FIG. 2a). Here too, there is thus a different intensity balance of the incident laser light Se and the emerging laser beam 1. Diffraction order Sa in the direction of the useful beam compared to the interference beam Ss in the direction of the laser beam source.

Ein Ausführungsbeispiel eines optischen Isolators 1 ist in Fig. 5 dargestellt, wobei zugleich die optischen Verhältnisse erläutert werden, die dazu führen, daß an jedem Gitter 3 die ursprünglichen Einstrahlungswinkel reproduziert werden.An exemplary embodiment of an optical isolator 1 is shown in FIG. 5, at the same time the optical conditions are explained which lead to the fact that the original radiation angles are reproduced on each grating 3 .

Auch dieses Ausführungsbeispiel betrifft eine Applikation des La serlichtes im Freiraum, d. h. von ungeführtem Laserlicht (in Luft) oder transparenten Medien, während ein Ausführungsbeipiel für die Applikation im Wellenleiterbereich mit geführtem Licht weiter unten anhand von Fig. 14 erläutert ist. Generell kann bei den hier erläuterten Ausführungsbeispielen die Nutzung der optischen Isolatoren 1 auch gleichzeitig durch eine Mehrzahl paralleler Lichtbündel erfolgen.This exemplary embodiment also relates to an application of the laser light in free space, that is to say of unguided laser light (in air) or transparent media, while an exemplary embodiment for the application in the waveguide region with guided light is explained below with reference to FIG. 14. In general, in the exemplary embodiments explained here, the optical isolators 1 can also be used simultaneously by a plurality of parallel light beams.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß für das gewünschte Maß an optischer Isolation eine mehrfache Diffraktion in Reflexion oder Transmission an einem diffraktiven optischen Element wün schenswert ist. Um eine Mehrfachbeugung in Reflexion zu realisie ren, müssen die Flächen, die die diffraktiven optischen Elemente, hier Reflexions-Gitter 6, tragen, unter einem Winkel ω so zuein ander orientiert sein, daß sich für jedes Beugungsgitter, hier Reflexions-Gitter 6, die ursprünglichen Einstrahlungsverhältnisse reproduzieren.It has already been pointed out that multiple diffraction in reflection or transmission on a diffractive optical element is desirable for the desired degree of optical isolation. In order to realize multiple diffraction in reflection, the surfaces that carry the diffractive optical elements, here reflection grating 6 , must be oriented at an angle ω to each other so that for each diffraction grating, here reflection grating 6 , the reproduce the original irradiation conditions.

In Fig. 5 ist der optische Isolator 1 als Prisma 7 ausgeführt, dessen Seitenflächen 8 und 9, die unter einem spitzen Winkel ω zueinander verlaufen, jeweils mit einem Reflexions-Gitter 6 ver sehen sind, wobei eine Einstrahlung eines Laserstrahles Se außer halb des zugehörigen Gitters 6 erfolgt. Für den Zusammenhang für die k. und k+1.Beugung in Reflexion gilt:
In Fig. 5, the optical isolator 1 is designed as a prism 7 , the side surfaces 8 and 9 , which extend at an acute angle ω to each other, are each seen with a reflection grating 6 , with an irradiation of a laser beam Se outside of the associated one Grid 6 is done. For the context for the k. and k + 1. Diffraction in reflection applies:

ω = αe_k + βr_k+1 und αe_k - βe_k = αe_k+1 - βe_k+1 k = 1,2
ω = αe _k + βr _{k + 1} and αe _k - βe _k = αe _{k + 1} - βe _{k + 1} k = 1.2

wobei α_ek die Einfallswinkel und β_ek die Beugungswinkel in Nutz strahlrichtung darstellen, während mit α_rk die Einfallswinkel des rückreflektierten Strahles Sr und mit β_rk die Beugungswinkel des Störstrahles Ss in Richtung der Laserstrahlquelle (Stör strahlrichtung) bezeichnet sind.where α _{ek are} the angles of incidence and β _{ek are} the diffraction angles in the useful beam direction, while α _{rk are} the angles of incidence of the back-reflected beam Sr and β _{rk are} the diffraction angles of the interference beam Ss in the direction of the laser beam source (interference beam direction).

Die Reflexions-Gitter 6 können unter dem Winkel ω auch auf ent sprechend angeordneten Platten, insbesondere Glasplatten, ange ordnet sein oder auch freitragend im Raum bzw. in einem Festkörper integriert angeordnet sein, wie dies zum Beispiel für einen Schichtwellenleiter gilt (für gleiche Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 14) oder im Hinblick auf Transmissions-Gitter in dem Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 12 dargestellt ist.The reflection grating 6 can be arranged at the angle ω also on appropriately arranged plates, in particular glass plates, or can also be arranged in a self-supporting manner in the room or integrated in a solid, as is the case, for example, for a layer waveguide (for the same exemplary embodiments in accordance with Fig. 14) or in terms of transmission grating in the exemplary embodiment according to FIG. 12 is shown.

Ein weiteres Ausführungsbeipiel eines optischen Isolators 1 ist in Fig. 6 dargestellt. Hierbei ist der optische Isolator 1 eben falls in Gestalt eines Prismas 7 ausgebildet, das zwei unter ei nem spitzen Winkel ω angeordnete Seitenflächen 8, 9 besitzt. Die erste Fläche 8 ist teilweise mit einem Spiegel 10 versehen, wäh rend die zweite Seitenfläche 9 überwiegend mit einem ebenen Pha senrelief-Reflexionsgitter 6 versehen ist. Im Bereich des Spie gels 10 finden fünf Reflexionen eines einfallenden, außerhalb des Reflexions-Gitters 6 eingestrahlten Laserlichtstrahles Se statt, während an dem Reflexions-Gitter 6 fünf Beugungen in Reflexion erfolgen (N = 5). Der einfallende Lichtstrahl Se tritt an einem spitzenseitigen, unbeschichteten Flächenabschnitt der Seitenflä che 8 in das Prisma 7 ein und wird am Spiegel 10 an der ersten Seitenfläche 8 reflektiert, gelangt dann unter dem konstanten Einfallswinkel α_ek auf das Reflexions-Gitter 6 und wird zum Spie gel 10 gebeugt. Dies wiederholt sich, bis das Licht an einem nicht-verspiegelten, von der Spitze des Prismas 7 abgewandten Teilstück der ersten Seitenfläche 8 als ausfallender Lichtstrahl Sa aus dem Prisma 7 austritt. Aus dem im Hinblick auf die Ausfüh rungsform nach Fig. 5 erläuterten Zusammenhang
Another exemplary embodiment of an optical isolator 1 is shown in FIG. 6. Here, the optical isolator 1 is also formed in the form of a prism 7 , which has two side surfaces 8 , 9 arranged at an acute angle ω. The first surface 8 is partially provided with a mirror 10 , while the second side surface 9 is predominantly provided with a plane phase relief reflection grating 6 . In the area of the mirror 10 there are five reflections of an incident laser light beam Se radiated in outside the reflection grating 6 , while five diffractions in reflection take place on the reflection grating 6 (N = 5). The incident light beam Se enters a prism 7 at a tip-side, uncoated surface section of the side surface 8 and is reflected on the mirror 10 on the first side surface 8 , then reaches the reflection grating 6 at a constant angle of incidence α _ek and becomes a mirror gel 10 bent. This is repeated until the light emerges from the prism 7 as an incident light beam Sa on a non-mirrored section of the first side surface 8 facing away from the tip of the prism 7 . From the context explained with regard to the embodiment according to FIG. 5

α_ek - β_ek = α_ek+1 - β_ek+1 = const.
α _ek - β _ek = α _{ek + 1} - β _{ek + 1} = const.

ergibt sich für ein Gitter 3 und einen Spiegel 10
results for a grating 3 and a mirror 10

2α_sk = α_k - β_k,
2α _sk = α _k - β _k ,

wobei α_sk den Reflexionswinkel am k-ten Spiegel bezeichnet. Der konstante Einfallswinkel α_k ergibt sich aus 2α_rk = α_ek - β_rk. Der Zusammenhang des Einfallswinkel α_ek mit dem Prismenwinkel ω ist für diesen Fall, in dem α_ek = β_rk gilt, durch ω = 2α_k gegeben.where α _sk denotes the angle of reflection at the kth mirror. The constant angle of incidence α _k results from 2α _rk = α _ek - β _rk . The relationship between the angle of incidence α _ek and the prism angle ω is given by ω = 2α _k for this case in which α _ek = β _rk applies.

Die Beugungseffektivität ist für den einfallenden Lichtstrahl Se größer als für den rückreflektierten Lichtstrahl Sr, wobei der Einfallswinkel α_ek gleich dem Beugungswinkel β_rk ist.The diffraction effectiveness is greater for the incident light beam Se than for the back-reflected light beam Sr, the angle of incidence α _{ek being} equal to the diffraction angle β _rk .

Die Dämpfungsparameter können zum Beispiel aus Fig. 3 entnommen werden. Dieser optische Isolator 1 hat den Vorteil, daß eine N- fache Beugung in Reflexion mit nur einem Gitter 3 realisiert wird. Die Anzahl Reflexionen ist von den Winkeln und den Längen der ersten und zweiten Flächen 8 und 9 des Prismas 7 abhängig, im allgemeinen wird für einen derartigen optischen Isolator 1 eine etwas längere Prismenbasis benötigt.The damping parameters can be found, for example, in FIG. 3. This optical isolator 1 has the advantage that an N-fold diffraction in reflection is realized with only one grating 3 . The number of reflections depends on the angles and the lengths of the first and second surfaces 8 and 9 of the prism 7 , in general a somewhat longer prism base is required for such an optical isolator 1 .

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines diffraktiven optischen Isolators 1 ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Ausführungsform ver wendet, ähnlich wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, ein Prisma 7, dessen Seitenflächen 8 und 9 unter einem Winkel o zu einander geneigt angeordnet sind und jeweils ein Phasenrelief- Gitter als Reflexions-Gitter 6 trägt. Der einfallende Laserstrahl Se wird bei dieser Anordnung an jedem Reflexions-Gitter 6 fünfmal gebeugt, so daß die Anzahl der Beugungen insgesamt N = 10 be trägt.Another embodiment of a diffractive optical isolator 1 is shown in FIG. 7. This embodiment uses ver, similar to the embodiment of FIG. 6, a prism 7 , the side surfaces 8 and 9 are arranged inclined at an angle o to each other and each carries a phase relief grating as a reflection grating 6 . In this arrangement, the incident laser beam Se is diffracted five times on each reflection grating 6 , so that the total number of diffractions is N = 10 be.

Der einfallende Laserstrahl Se tritt an einem spitzenseitigen, unbeschichteten Teil der Seitenfläche 8 in das Prisma 7 ein und trifft unter dem Einfallswinkel α_k auf das untere, entlang der Prismenbasis angeordnete Reflexions-Gitter 6, wobei die Einstrahlungsverhältnisse in Verbindung mit dem in Fig. 7 dar gestellten, im Querschnitt als rechtwinkliges Dreieck ausge führten Prisma 7, zu einer besonders einfachen Anordnung füh ren, derart, daß der Einfallswinkel α_k, der nach jeder Beugung reproduziert ist, gleich den Basiswinkel ω des Prismas 7 ist und der Beugungswinkel β_k immer 0° beträgt. Der Lichtstrahl Sa tritt unter dem gleichen Winkel aus dem Prisma 7 aus, unter dem der einfallende Lichtstrahl Se auf das Prisma 7 auftrifft.The incident laser beam Se enters the prism 7 on a tip-side, uncoated part of the side surface 8 and strikes the lower reflection grating 6 arranged along the prism base at the angle of incidence α _k , the irradiation conditions in connection with that in FIG. 7 are presented, in cross-section as a right-angled triangle led prism 7 , lead to a particularly simple arrangement, such that the angle of incidence α _k , which is reproduced after each diffraction, is equal to the base angle ω of the prism 7 and the diffraction angle β _k always Is 0 °. The light beam Sa emerges from the prism 7 at the same angle at which the incident light beam Se strikes the prism 7 .

Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 6 hat diese Anordnung den Vorteil, daß die Baugröße des optischen Isolators 1 verringert werden kann.Compared to the embodiment according to FIG. 6, this arrangement has the advantage that the size of the optical isolator 1 can be reduced.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines diffraktiven optischen Isolators 1 zeigt Fig. 8, bestehend aus einem Prisma 7, das auf der ersten Seitenfläche 8 ein Reflexions-Gitter 6 und auf der als Prismenbasis vorgesehenen, weiteren Seitenfläche 9 abfolgend ein Reflexions-Gitter 6 und einen Spiegel 10 aufweist.Another embodiment of a diffractive optical isolator 1 is shown in FIG. 8, consisting of a prism 7 , which has a reflection grating 6 on the first side surface 8 and a reflection grating 6 and a mirror 10 on the further side surface 9 provided as a prism base having.

Ein solches Prisma 7, das ebenso wie bei den anderen Ausführungs beispielen hinsichtlich seiner Beugungsgitter (hier: Reflexions gitter 6, Gitterkonstante g) sowie hinsichtlich Modulationstiefe in Abstimmung auf die Lichtwellenlänge λ und den Einfallswinkel α so ausgelegt ist, daß bei der Beugung an einem Gitter 3 (Reflexi ons-Gitter 6 oder Transmissions-Gitter 4) lediglich die 0. und +1.Beugungsordnung auftreten, so daß bei Auftreffen des rückre flektierten Strahles Sr auf das jeweilige Gitter 3 eine Beugung in die 0.Beugungsordnung, die +1.Beugungsordnung und die -1.Beugungsordnung erzeugt werden, ist insbesondere als opti scher Isolator für mehrere parallele Laserstrahlen Se geeig net, die im vorliegenden Fall rechtwinklig auf einen gitter- freien Bereich der ersten Seitenfläche 8 auftreffen und unter dem gleichen Winkel nach Reflexion am Spiegel 9 wieder aus dem Prisma 7 austreten. Auf diese Weise können mehrere, parallel einfallende Lichtstrahlen Se den gleichen optischen Isolator 1 benutzen, und überdies kann die Reihenfolge der verschiedenen Strahlenbündel zwischen Ein- und Austrittsseite vertauscht werden, und in unterschiedlichen Stricharten dargestellten La serstrahlen ersichtlich ist. Überdies kann der Abstand der verschiedenen Laserstrahlbündel 1, 2, 3 zwischen Ein- und Aus trittsseite verändert, im vorliegenden Fall nach Fig. 8 in Richtung des Strahlaustritts vergrößert werden.Such a prism 7 , which, like the other embodiments, is designed with respect to its diffraction grating (here: reflection grating 6 , grating constant g) and with respect to the depth of modulation in coordination with the light wavelength λ and the angle of incidence α so that the diffraction on a grating 3 (Reflexi ons grating 6 or transmission grating 4 ) only the 0th and + 1st diffraction order occur, so that when the back-reflected beam Sr strikes the respective grating 3, a diffraction in the 0th diffraction order, the +1. Diffraction order and the 1st diffraction order are generated, in particular as an optical isolator for several parallel laser beams Se net, which in the present case strike a grid-free area of the first side surface 8 at right angles and at the same angle after reflection on the mirror 9 emerge from prism 7 again. In this way, several, parallel incident light beams Se can use the same optical isolator 1 , and moreover the order of the different beams between the entry and exit sides can be interchanged, and laser beams shown in different line types can be seen. In addition, the distance between the different laser beam bundles 1 , 2 , 3 between the entry and exit side can be changed, in the present case according to FIG. 8 increased in the direction of the beam exit.

Der Spiegel 10 kann auch durch ein diffraktives optisches Ele ment, wie ein weiteres Reflexions-Gitter ersetzt sein, wobei eine solche Ausführungsform dann zu einer Abwandlung des Aus führungsbeispieles nach Fig. 7 führen würde. Fehlt der Spiegel 10 in der Ausführungsform nach Fig. 8, treten die Laserstrahl bündel 1, 2, 3 an der Unterseite des Prismas 7 aus diesem aus, gegebenenfalls nach Diffraktion an einem weiteren Transmissi ons-Gitter.The mirror 10 can also be replaced by a diffractive optical element, such as a further reflection grating, such an embodiment then leading to a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 7. If the mirror 10 is missing in the embodiment according to FIG. 8, the laser beam bundles 1 , 2 , 3 emerge from the bottom of the prism 7 , optionally after diffraction on a further transmission grating.

Eine weitere Ausführungsform für einen optischen Isolator 1 ist in Fig. 9 gezeigt, der wiederum ein im Querschnitt ein rechtwink liges Dreieck bildendes Prisma 7 aufweist, dessen unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufende Seitenflächen 8 und 9 zur Strahlbeugung innerhalb des Prismas 7 jeweils ein Reflexions- Gitter 6 tragen, während im Bereich des Strahleintritts die Sei tenfläche 8 zusätzlich ein Transmissions-Gitter 4 aufweist, wobei an einer Seitenfläche 11 des Strahlaustritts ebenfalls ein Trans missions-Gitter 4 angeordnet ist. Vorzugsweise kann das Prisma 7 in einem, ähnlich dargestellten Gehäuse angeordnet sein, das le diglich Öffnungen im Bereich des Strahleintritts (Transmissions- Gitter 4) sowie im Bereich des Strahlaustritts aufweist.A further embodiment for an optical isolator 1 is shown in FIG. 9, which in turn has a prism 7 forming a right-angled triangle in cross section, the side surfaces 8 and 9 of which, at an acute angle to one another, each have a reflection for diffraction within the prism 7 grating 6 wear, while in the region of the beam entry be tenfläche 8 additionally a transmission grating 4, wherein also a trans missions grid 4 is arranged on a side surface 11 of the beam exit. Preferably, the prism 7 can be arranged in a housing, shown in a similar manner, which has only openings in the area of the beam entrance (transmission grating 4 ) and in the area of the beam exit.

Wie dieses Ausführungsbeispiel verdeutlicht, ist es mit einem derartigen Prisma, dessen Transmissions-Gitter 4 und Reflexions- Gitter 6 den eingangs erläuterten Diffraktionsprinzipien folgen, möglich, eine Strahlversetzung um den Betrag a an der Strahlaus trittsseite gegenüber dem Strahleintritt zu erreichen, wobei die Richtung zwischen eintretendem Laserstrahl Se und austretendem Laserstrahl Sa jedoch unverändert bleibt. As this embodiment illustrates, it is possible with such a prism, whose transmission grating 4 and reflection grating 6 follow the diffraction principles explained at the outset, to achieve a beam offset by the amount a on the beam exit side opposite the beam entrance, the direction between entering laser beam Se and emerging laser beam Sa remains unchanged.

Es ist durch entsprechende Dimensionierung auch möglich, den Be trag der Strahlversetzung α zu 0 werden zu lassen und den austre tenden, mehrfach gebeugten Laserstrahl Sa in Verlängerung des eintretenden Laserstrahles Se aus dem Prisma 7 austreten zu las sen.It is also possible, by appropriate dimensioning, to let the amount of beam displacement α become 0 and to let the emerging, multiply diffracted laser beam Sa emerge from prism 7 as an extension of the incoming laser beam Se.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 10 und 11 zeigen eine Erweiterung gegenüber der Gestaltung der bisher erläuterten optischen Isolatoren 1 derart, daß in diesen Fällen der opti sche Isolator 1 mit weiteren Funktionselementen versehen ist, so daß neben der unveränderten Wirkung der optischen Isolation zugleich auch eine Strahlformung einer Quelle, vorzugsweise einer Laserdiode 12 erfolgen kann. In der Ausführungsform nach Fig. 10 erfolgt eine Strahlaufweitung des einfallenden Laser strahlbündels in einer Dimension. Zu diesem Zweck ist der opti sche Isolator 1 wiederum als im Querschnitt rechtwinkliges Prisma 7 ausgeführt, dessen Seitenflächen 8 und 9 mit Reflexions-Gittern 6 zur optischen Isolation versehen sind.The embodiments according to FIGS. 10 and 11 show an extension with respect to the design of the previously discussed optical isolators 1 such that is provided in these cases, the opti cal insulator 1 with further functional elements, so that in addition of the unchanged effect of optical isolation at the same time an Beam shaping of a source, preferably a laser diode 12 , can take place. In the embodiment according to FIG. 10, the incident laser beam is expanded in one dimension. For this purpose, the optical isolator 1 is again designed as a prism 7 with a rectangular cross section, the side surfaces 8 and 9 of which are provided with reflection gratings 6 for optical isolation.

Im Bereich des Eintritts des Laserstrahlbündels von der Laserdio de 12 an der ersten Seitenfläche 8 weist diese ein abbildendes diffraktives optisches Element DOE, d. h. ein Gitter mit abbilden den Eigenschaften, vorzugsweise ein holographisch optisches Ele ment HOE auf, durch das eine Strahlformung in einer Dimension er folgt, wobei auf der Strahlaustrittsseite des Prismas 7 ein Transmissions-Gitter 4 angeordnet ist, über das das aufgeweitete, in einer Dimension geformte Laserstrahlbündel in Fig. 10 in Pfeilrichtung austritt.In the area of the entry of the laser beam from the laser diode 12 on the first side surface 8 , this has an imaging diffractive optical element DOE, ie a grating with imaging properties, preferably a holographic optical element HOE, by which beam shaping in one dimension follows, a transmission grating 4 being arranged on the beam exit side of the prism 7 , via which the expanded, one-dimensionally shaped laser beam emerges in the direction of the arrow in FIG. 10.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 zeigt die umgekehrte Mög lichkeit der Verkleinerung der Strahldimension, wobei die Strahl eintritts- und Strahlaustrittsseite des Prismas 7 gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 10 vertauscht sind und eine Laserdiode zu der in Fig. 11 rechten Seite des Prismas 7 hin gerichtet ist, wobei diese Seitenfläche 13 ein abbildendes diffraktives opti sches Element DOE, d. h. ein Gitter 4 mit abbildenden Eigenschaf ten bzw. vorzugsweise ein holographisch optisches Element trägt. Die beiden Seitenflächen 8 und 9 sind wiederum mit Reflexions- Gittern 6 versehen, während im Bereich des Strahlaustritts an der in Fig. 11 linken Seite das in einer Dimension verkleinerte La serstrahlbündel über ein Transmissions-Gitter 4 austritt.The embodiment according to FIG. 11 shows the reverse possibility of reducing the beam dimension, the beam entry and beam exit side of the prism 7 being interchanged with respect to the embodiment according to FIG. 10 and a laser diode towards the right side of the prism 7 in FIG. 11 is directed, this side surface 13 carries an imaging diffractive optical element DOE, ie a grating 4 with imaging properties or preferably a holographic optical element. The two side surfaces 8 and 9 are in turn provided with reflection gratings 6 , while in the region of the beam outlet on the left in FIG. 11 the laser beam, which is reduced in dimension, emerges via a transmission grating 4 .

Auf diese Weise kann der optische Isolator zugleich zur Strahlformung eingesetzt werden. Das Prinzip der Verkleinerung oder Vergrößerung einer Strahldimension ist bei geeigneter Gestaltung der Beugungseffektivität der eingesetzten Gitter 3 auch ohne optische Isolation anwendbar.In this way, the optical isolator can also be used for beam shaping. The principle of reducing or enlarging a beam dimension can also be used without optical isolation if the diffraction effectiveness of the grating 3 used is suitably designed.

Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Isola tors 1 mit der Realisierung des diffraktiven Isolatorprinzips in Transmission. In diesem Fall sind in einem transparenten Quader 14, in Strahlrichtung abfolgend eine Mehrzahl von Pris men 7 mit Transmissions-Gittern 4 jeweils unter dem gleichen, hier 45° betragenden Neigungswinkel zueinander angeordnet, so daß der Einfallswinkel α_k 45° und der Beugungswinkel β_k 0° ist. Der einfallende Laserstrahl Se durchläuft eine Kaskade von ebenen Transmissions-Gittern 4 und wird unter den eingangs dargelegten Verhältnissen in Bezug auf die Energie- und Strahlteilung zwi schen hinlaufendem Nutzstrahl und rücklaufendem Reflexionsstrahl mehrfach gebeugt. Fig. 12 shows an embodiment of an optical isolator 1 with the implementation of the diffractive isolator principle in transmission. In this case, a plurality of prisms 7 with transmission gratings 4 are each arranged in a transparent cuboid 14 , in the beam direction, at the same inclination angle, here 45 °, so that the angle of incidence α _k 45 ° and the diffraction angle β _k Is 0 °. The incident laser beam Se passes through a cascade of flat transmission gratings 4 and is repeatedly diffracted under the conditions set out above with respect to the energy and beam splitting between the incoming useful beam and the returning reflection beam.

Fig. 12 zeigt in dünner und dicker Strichstärke jeweils 2 einfal lende Laserstrahlen Se, um zu verdeutlichen, daß dieser optische Isolator 1 ebenfalls bevorzugt zur Beeinflussung von parallelen, verschiedenen Laserstrahlbündeln genutzt werden kann, die mit dem Abstand t_e in den optischen Isolator 1 eintreten und diesen mit einem vergrößerten Abstand t_a verlassen. Fig. 12 shows in thin and thick line width 2 einfal L laser beams Se to illustrate that this optical isolator 1 can also preferably be used to influence parallel, different laser beams that enter the optical isolator 1 with the distance t _e and leave it with an increased distance t _a .

Eine solche Anordnung ist vorteilhaft für die Herstellung diffraktiver optischer Isolatoren 1 für die integrierte Optik und in Verbindung mit der Diffraktion des geführten Lichtes in der Wellenleitertechnik, insbesondere für Schichtwellenleiter von Bedeutung.Such an arrangement is advantageous for the production of diffractive optical isolators 1 for integrated optics and in connection with the diffraction of the guided light in waveguide technology, in particular for layered waveguides.

Dies gilt auch für den optischen Isolator 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Fig. 13 gezeigt ist, der als Doppel prisma aus zwei Prismen 7 aufgebaut ist. Entlang der Grenzfläche beider Prismen (in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen Sei tenfläche 9) ist ein Transmissions-Gitter 4 angeordnet, während die beiden außen liegenden, zueinander geneigt laufenden Seiten flächen 8 der Doppelprismenanordnung Spiegel 9 zur Reflexion des an dem innen liegenden Transmissions-Gitter fünfmal gebeugten La serstrahles Se. Gegebenenfalls können die Spiegel 10 auch durch Reflexions-Gitter 6 ersetzt sein. Der einfallende Lichtstrahl Se trifft unter einem Winkel auf den spitzenseitigen, unverspiegel ten Teil der Seitenfläche 8 des in Fig. 13 oberen Prismas 7 auf und wird zu dem Transmissions-Gitter 4 hin gebrochen, durch die ses in der vorerläuterten Weise hinsichtlich der Energiebilanz von dem einfallenden und rückreflektierten Lichtstrahl zu der un teren Außenfläche 8 hin gebeugt und von dem dort vorgesehenen Spiegel 10 erneut in Richtung des Transmissions-Gitters 4 reflek tiert. Nach mehrfacher Reflexion durch die Spiegel 10 und Beugung an dem innen liegenden Transmissions-Gitter 4 tritt der mehrfach diffraktierte Laserstrahl Sa an der in Fig. 13 rechten Seite un ter dem gleichen Winkel aus dem oberen Prisma 7 aus, unter dem der einfallende Laserstrahl Se das Prisma 7 erreichte.This also applies to the optical isolator 1 according to a further exemplary embodiment, which is shown in FIG. 13 and which is constructed as a double prism from two prisms 7 . Along the interface of both prisms (in the previous embodiments, ten-surface 9 ) a transmission grating 4 is arranged, while the two outer, mutually inclined side surfaces 8 of the double prism arrangement mirror 9 for reflecting the diffraction on the inner transmission grating five times La serstrahles Se. If necessary, the mirrors 10 can also be replaced by reflection gratings 6 . The incident light beam Se strikes the tip-side, unmirrored part of the side surface 8 of the upper prism 7 in FIG. 13 at an angle and is refracted toward the transmission grating 4 , through which it ses in the manner explained above with regard to the energy balance of the incident and back-reflected light beam diffracted towards the lower outer surface 8 and again reflected by the mirror 10 provided there in the direction of the transmission grating 4 . After multiple reflection by the mirror 10 and diffraction at the internal transmission grating 4 , the multiple-diffracted laser beam Sa emerges from the upper prism 7 on the right side in FIG. 13 under the same angle at which the incident laser beam Se the Prism reached 7 .

Ein optischer Isolator 1 kann auch durch ein diffraktives Element gebildet werden, das zwei Disperionsrichtungen aufweist, vorzugs weise wird er durch periodische Phasenrelief-Gitter gebildet, die einen durch den jeweiligen Anwendungsfall vorteilhaft zu bestimmenden Winkel einschließen. Im einfachsten Fall kann dies ein Kreuzgitter 15 sein, wie dies schematisch in Fig. 14 dargestellt ist.An optical isolator 1 can also be formed by a diffractive element which has two directions of dispersion, preferably as it is formed by periodic phase relief gratings, which include an angle to be determined advantageously by the respective application. In the simplest case, this can be a cross grating 15 , as is shown schematically in FIG. 14.

Das Kreuzgitter 15 kann als Kombination zweier einfacher Gitter 3, hier Reflexions-Gitter 6, aufgefaßt werden, die um 90° zuein ander gedreht angeordnet sind. Für das Kreuzgitter 15 gilt in x- und y-Richtung die Gittergleichung (4) mit entsprechenden, unter schiedlichen Vorzeichen für Reflexion oder Transmission. Auch in diesem Fall werden die Linienzahlen des Kreuzgitters 15 in x- und y-Richtung so gewählt, daß der einfallende Laserstrahl Se (hier in Reflexion) in die 0.Beugungsordnung und die +1.Beugungsordnung zerlegt wird.The cross grating 15 can be understood as a combination of two simple grids 3 , here reflection grating 6 , which are arranged rotated by 90 ° to each other. For the cross grating 15 , the grating equation ( 4 ) applies in the x and y directions with corresponding, different signs for reflection or transmission. In this case too, the number of lines of the cross grating 15 in the x- and y-directions are chosen such that the incident laser beam Se (here in reflection) is broken down into the 0th diffraction order and the + 1st diffraction order.

Der objektseitig rückreflektierte Laserstrahl Sr trifft senk recht auf das Kreuzgitter 15 und erzeugt alle Kombinationen der Ordnungen k, 1 = 0,1. Das heißt, es erfolgt eine Zerlegung des rückreflektierten Strahles Sr in 9 Strahlteile, so daß in Richtung der Laserstrahlquelle höchstens 1/9 der rückreflek tierten Intensität I_R als Störstrahl Ss gebeugt wird. Bei ge eigneter Gestaltung der Beugungseffektivität in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α kann dieser Faktor noch weiter verringert und damit die optische Isolation verbessert werden.The laser beam Sr reflected back on the object perpendicularly strikes the cross grating 15 and generates all combinations of the orders k, 1 = 0.1. This means that the back-reflected beam Sr is broken down into 9 beam parts, so that in the direction of the laser beam source at most 1/9 of the back-reflected intensity I _{R is} diffracted as an interfering beam Ss. With a suitable design of the diffraction effectiveness as a function of the angle of incidence α, this factor can be reduced even further and thus the optical isolation can be improved.

Auch in diesem Fall sind die vorerläuterten Ausführungsbeispiele hinsichtlich der Gitteranordnungen (die für eindimensionale Git ter mit einer Disperionsrichtung dargelegt wurden) anwendbar, wo bei für das Kreuzgitter der Vorteil einer Reduzierung der Anzahl der Beugungen (Reflexionen und/oder Transmissionen) bei gleich zeitig wesentlich erhöhter optischer Isolation (größere Strahl zerlegung des rückreflektierten Laserstrahles) und damit wesent lich vermindernde Intensität eines in Richtung der Einfallsrich tung auf die Laserquelle zurücklaufenden Störstrahles Ss besteht. In this case, too, are the exemplary embodiments explained regarding the lattice arrangements (which for one-dimensional Git ter with a direction of dispersion) applicable where for the cross lattice the advantage of reducing the number the diffractions (reflections and / or transmissions) at the same optical insulation (larger beam decomposition of the back-reflected laser beam) and thus essential Lich diminishing intensity in the direction of the direction of incidence device on the laser source returning interference beam Ss.

Es ist nicht erforderlich, daß an dem Kreuzgitter in x- und y- Richtung jeweils die gleiche Anzahl von Beugungen des einfallen den Laserstrahles auftritt. Vielmehr können diese jeweils ver schieden sein unter Gewährleistung einer höheren Beugungseffekti vität in Einfalls- als in Rückreflexionsrichtung.It is not necessary that the cross grid in x- and y- The same number of bends of the incident direction the laser beam occurs. Rather, they can each ver be separated while ensuring a higher diffraction effect vity in the direction of incidence rather than back reflection.

Das Prinzip der optischen Isolation durch Diffraktion läßt sich insbesondere für die integrierte Optik nutzen, da die nicht- geführte Dimension des Lichtstrahles den Freiraumbedingungen ent spricht.The principle of optical isolation by diffraction can be especially for the integrated optics, because the non- guided dimension of the light beam according to the open space conditions speaks.

So zeigt Fig. 15 schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen optischen Isolator 1 in Verbindung mit einem Schichtwellenleiter 16 und damit die Anwendung des vorerläuterten Prinzips der opti schen Isolation durch Diffraktion auf den Bereich geführten La serlichtes, dessen nicht-geführte Dimension die Verwendung von diffraktiven optischen Elementen, insbesondere Gittern 3 zur op tischen Isolation gestattet. Während Fig. 15a schematisch eine Draufsicht eines Schichtwellenleiters 16 zeigt, in den der Laser lichtstrahl Se von einer Laserdiode 12 eingestrahlt wird, zeigen die Fig. 15b und 15c jeweils schematisch in Draufsicht und per spektivischer Darstellung die jeweilige Gitterstruktur der Refle xions-Gitter 6. In dem Schichtwellenleiter 16 sind periodische Strukturen 17 so eingebracht, daß Gitterlinien als Reflexions- Gitter 6 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der geführten Moden des Laserstrahles stehen und tiefer sind als der wellenleitende Bereich. Das von der Laserdiode 13 kommende Licht wird an diesen Reflexions-Gittern 6 gebeugt, so daß für die Einstrahlungsrich tung und die Rückreflexionsrichtung die vorerläuterten, unter schiedlichen Beugungseffektivitäten wirksam werden. In entspre chender Weise kann auch das in Fig. 12 dargestelle Prinzip diffraktiver optischer Isolation in Transmission, d. h. die Ver wendung von Transmissions-Gittern als Gitterstruktur für Wellen leiter genutzt werden. Thus, FIG. 15 schematically shows an embodiment of an optical isolator 1 in conjunction with a planar waveguide 16, and therefore the application of the above-explained principle of the optical rule isolation by diffraction in the range guided La serlichtes whose non-run dimension of the use of diffractive optical elements , in particular grids 3 for optical isolation allowed. While Fig. 15a shows schematically a plan view of a slab waveguide 16, beam Se is irradiated from a laser diode 12 in the laser, Figs. 15b and 15c respectively schematically in plan view and by spectral TiVi shear representation of the respective grating structure of the Refle Xion-grating 6. Periodic structures 17 are introduced in the layer waveguide 16 such that grating lines as reflection gratings 6 are perpendicular to the direction of propagation of the guided modes of the laser beam and are deeper than the waveguiding region. The light coming from the laser diode 13 is diffracted at these reflection gratings 6 , so that for the Einrichtungsrich device and the back reflection direction, the previously explained, under different diffraction efficiencies take effect. Correspondingly, the principle of diffractive optical isolation in transmission shown in FIG. 12, ie the use of transmission gratings as a grating structure for waveguides, can be used.

Hinsichtlich der vorerläuterten Ausführungsbeispiele wird auch darauf hingewiesen, daß es möglich ist, die Gitter 3 zur Mehr fachbeugung in geneigter Anordnung zueinander sowohl an einem Prisma als auch z. B. auf in entsprechenden Neigungswinkeln ange ordneten Glasplatten oder auch frei im Raum oder in einem trans parenten Feststoffkörper (Fig. 11) anzuordnen.With regard to the previously described embodiments, it is also noted that it is possible to use the grating 3 for multiple diffraction in an inclined arrangement both on a prism and z. B. on at appropriate angles of inclination arranged glass plates or freely in space or in a trans parent solid body ( Fig. 11).

Es wird überdies darauf hingewiesen, daß für die optische Isola tion durch Einrichten einer Strahlteilung und unterschiedlichen Energiebilanz für die Einstrahlungs- und die Rückkopplungsrich tung möglich ist, bei der Verwendung polarisierten Lichtes für den Polarisationszustand DE (E-Vektor) in paralleler Richtung zu den Gitterfurchen bzw. -linien des Beugungsgitters und für den Polarisationszustand DM (E-Vektor senkrecht zu den Gitterfurchen bzw. Gitterlinien) die gleiche Beugungseffektivität des Gitters zu erreichen, so daß der optische Isolator unabhängig von der Po larisationsrichtung sowohl in paralleler als auch in orthogonaler Anordnung verwendet werden kann.It is also noted that for the optical isola tion by setting up a beam splitting and different Energy balance for the irradiation and the feedback direction device is possible when using polarized light for the polarization state DE (E-vector) in the parallel direction the grating grooves or lines of the diffraction grating and for the Polarization state DM (E vector perpendicular to the lattice furrows the same diffraction effectiveness of the grating to achieve so that the optical isolator regardless of the Po Larization direction in both parallel and orthogonal Arrangement can be used.

Die Anordnung der Reflexionsgitter 6 und/oder der Transmissi onsgitter 4 ist einzeln oder in beliebiger Kombination mitein ander und in Verbindung mit anderen optischen Bauelementen, insbesondere anderen diffraktiven oder refraktiven optischen Elementen und/oder mit Elementen der integrierten Optik mög lich. Für Reflexions-Gitter 6 kann zur Erhöhung der Beugungs effektivität eine metallische Bedampfung und/oder eine Be schichtung zur Optimierung der Intensitätsverhältnisse (Trans missionsfaktoren) W_a und W_b, insbesondere bei Integration in einen Schichtwellenleiter (s. Fig. 15) erfolgen.The arrangement of the reflection grating 6 and / or the Transmissi onsgitter 4 is possible individually or in any combination with one another and in conjunction with other optical components, in particular other diffractive or refractive optical elements and / or with elements of the integrated optics. For reflection gratings 6 , a metallic vapor deposition and / or a coating for optimizing the intensity ratios (transmission factors) W _a and W _b can take place to increase the diffraction effectiveness, in particular when integrated into a layer waveguide (see FIG. 15).

Die für den Freiraum (nicht-geführtes Licht) erläuterten Aus führungsbeispiele können in den bekannten Herstellungstechno logien für optische bzw. computererzeugte Hologramme (HOE bzw. CGH) ausgeführt werden. Damit ist auch die Anwendung entsprechen der, dort benutzter Techniken der Vervielfältigung wie Kopieren, Prägen, Spritzgießen etc. möglich.The Aus explained for the free space (non-guided light) leadership examples can be found in the known production techno logics for optical or computer generated holograms (HOE or CGH). This also corresponds to the application the techniques of duplication and copying used there, Embossing, injection molding etc. possible.

Die Einbringung der entsprechenden Gitter-Reliefstrukturen in Schichtwellenleiter (siehe Ausführungsbeispiel Fig. 15) senkrecht zum Wellenleiter kann mit den bekannten Ätztechniken durch Masken oder durch Direktbelichtung in Fotolack erfolgen. Eine spezielle Möglichkeit der Ausführung ergibt sich durch die Modulierung des periodisch berandeten Wellenleiters in Fotolack und der dadurch möglichen Herstellung eines erzeugten Werkzeuges zur Prägung in geeignete Materialien wie Polymere, PMMA, Fotolack. Eine metalli sche Bedampfung kann der Erhöhung der Beugungseffektivität für Reflexion dienen.The corresponding lattice relief structures can be introduced into the layer waveguide (see exemplary embodiment in FIG. 15) perpendicular to the waveguide using the known etching techniques by means of masks or by direct exposure in photoresist. A special possibility of the execution results from the modulation of the periodically bordered waveguide in photoresist and the thus possible production of a tool for embossing into suitable materials such as polymers, PMMA, photoresist. Metallic vapor deposition can serve to increase the diffraction effectiveness for reflection.

Weitere Ausführungsbeispiele der Gestaltung von optischen Isola toren durch insbesondere Mehrfachbeugung des einfallenden Licht strahles an diffraktiven optischen Elementen und deren unter schiedliche Kombination sind in Abhängigkeit vom speziellen An wendungsfall möglich. Eine besonders günstige Wirkung ergibt sich, wenn unter Abstimmung der Gitterkonstanten in Abhängigkeit von der verwendeten Lichtwellenlänge und unter der Wahl des Ein fallswinkels des Lichtstrahles auf das erste Gitter höhere Beu gungsordnungen unterdrückt werden und für den rückreflektierten Strahl eine größere Strahlaufteilung als für den einfallenden Strahl erfolgt. Bei Gewährleistung unterschiedlicher Beugungsef fektivität für den Laserstrahl in Nutzstrahlrichtung und Rück strahlrichtung durch jeweils in beiden Richtungen unterschiedli che Einfallswinkel kann gegebenenfalls auch auf die Unterdrückung höherer Beugungsordnungen verzichtet werden. Vorteilhaft können auch beide Effekte (Unterdrückung höherer Beugungsordnungen für den einfallenden Laserstrahl, unterschiedliche Einfallswinkel für den einfallenden und rückreflektierten Laserstrahl der verwende ten Beugungsordnung) zur Vergrößerung der Isolationswirkung miteinander kombiniert werden.Further embodiments of the design of optical isola gates by in particular multiple diffraction of the incident light beam on diffractive optical elements and their under different combinations are dependent on the special type possible use. A particularly favorable effect results itself when depending on the lattice constants of the light wavelength used and under the choice of the on angle of fall of the light beam on the first grating higher Beu regulations are suppressed and for the back-reflected Beam a larger beam distribution than for the incident Beam occurs. If different diffraction effects are guaranteed Effectiveness for the laser beam in the direction of the useful beam and back beam direction by differing in both directions che angle of incidence can possibly also on the suppression higher diffraction orders can be dispensed with. Can be advantageous also both effects (suppression of higher diffraction orders for the incident laser beam, different angles of incidence for use the incident and back-reflected laser beam diffraction order) to increase the isolation effect with each other be combined.

Der Anmeldungsgegenstand ist also nicht auf die Unterdrückung höherer Beugungsordnungen (als die 0. und +1.Beugungsordnung) beschränkt. Vielmehr körnen auch höhere Beugungsordnungen für den einfallenden Laserstrahl (und sogar gleiche Beugungsord nungen zwischen einfallendem und rückreflektiertem Laser strahl) zugelassen werden, solange in Einfallsrichtung eine höhere Beugungseffektivität (und Strahlungsenergie) als in Rückreflektionsrichtung durch höhere Zerlegung des rückreflek tierten Strahles und/oder unterschiedliche Einfallswinkel für den einfallenden und rückreflektierten Strahl durch Abstimmung von Gitterkonstanten, Lichtwellenlänge, Einfallswinkel und gegebenen falls Modulationstiefe gewährleistet bleiben.So the subject of registration is not on suppression higher diffraction orders (than the 0th and + 1st diffraction orders) limited. Rather, higher diffraction orders for the incident laser beam (and even the same diffraction order between the incident and back-reflected laser beam) as long as there is a higher diffraction efficiency (and radiation energy) than in Back reflection direction due to higher decomposition of the back reflection oriented beam and / or different angles of incidence for the incident and back-reflected beam by tuning Lattice constants, light wavelength, angle of incidence and given if the depth of modulation remains guaranteed.

Claims

1. Device for optically isolating a laser beam source from the light reflected back in itself from an object onto the laser beam source, which light is arranged in the beam path between the laser beam source and the object in which
the device has at least one diffraction grating and an element having reflective properties,
the diffraction grating and the element having reflective properties are arranged in the beam path in such a way that the laser beam directed by the laser onto the object and the light beam reflected back from the object itself run back and forth several times between the diffraction grating and the element having reflective properties,
the two light beams each time it hits the diffraction grating he split into several diffraction orders, and at
the light traveling from the laser to the object suffers as little intensity loss as possible due to the diffraction splits on the diffraction grating, while the light reflected back from itself to the object suffers the greatest possible loss of intensity due to the diffraction splits on the diffraction grating.

2. Device for optically isolating a laser beam source from the light which is reflected back in itself from an object onto the laser beam source and which is arranged in the beam path between the laser beam source and the object in which
a plurality of transmission gratings are arranged one behind the other in the beam path in such a way that they each enclose the same angle of inclination,
the gratings are arranged in the beam path so that both the laser beam directed by the laser onto the object and the light beam reflected back from the object itself experience a splitting into several diffraction orders each time it hits the grating, and in that
the light running from the laser to the object suffers as little intensity loss as possible due to the diffraction splits on the gratings, while the light reflected back from itself to the object through the diffraction splits on the gratings suffers the greatest possible loss of intensity.

3. Device according to claim 1 or 2, in which by vote of the lattice constants on the light wavelength and the incidence guarantee the angle of the light beam incident on the device is achieved that the incident light beam only in the 0th and is split into + 1. diffraction order, while that of the object reflected, returning light beam of the 1st diffraction order in the 0th, the +1. and the -1th diffraction order is disassembled.

4. Device according to one of claims 1 to 3, in which different angles of incidence and back reflection for the one falling and for the back-reflected light beam difference diffraction effectiveness for the outgoing and returning Beam can be achieved with the diffraction effectiveness in the direction of the back-reflected beam by choosing the smallest possible Back reflection angle of incidence is as small as possible.

5. Device according to one of the preceding claims, in which the grating for polarized light regardless of the polarization direction has the same diffraction effectiveness.

6. Device according to one of claims 1 or 3 to 5, in which at least two optical elements, of which at least one is a Diffraction grating is arranged in levels that are under egg Nem angle to each other, such that for each diffraction in same plane the original angle of incidence or diffraction is reproduced.

7. The device according to claim 6, which consists of a prism, its sides running at an acute angle to each other surface at least a flat reflection grating and a mirror exhibit.

8. The device according to claim 6, which consists of a prism, its sides running at an acute angle to each other surfaces each have at least one flat reflection grating.

9. The device according to claim 8, wherein at least one side of the prism additionally has a mirror.

10. Device according to one of claims 1 or 3 to 6, which two prisms is formed between their contact surfaces Transmission grating is arranged and on their opposite the mutually inclined outer sides each mirror or reflection gratings are arranged.

11. The device according to claim 6 or 8, wherein a prism in front is seen that a transmissi on a beam entry side onsgitter and a reflection grating, on a beam outlet a transmission grille and a Re on another side has inflection grating.

12. The apparatus of claim 11, wherein at least one of the Transmission grating is an imaging grating.

13. The apparatus of claim 12, wherein the transmission grid ter is a holographic optical element.

14. The device according to one of claims 1 or 3 to 6, in which the laser beam is at an angle between at least two is reflected back and forth at other arranged grids.

15. Device according to one of the preceding claims, in which the grid is linear or multi-directional is a flat grid.

16. Device according to one of the preceding claims, in which the grating has a plurality of diffraction directions.

17. The apparatus of claim 16, wherein the grid is a cross is through which the incident laser beam only in the 0. and the + 1. diffraction order with formation of a diffraction angle is disassembled, by the after an object-side reflection of the in itself perpendicular to the cross grid Beam of the 1st diffraction order into the 0th diffraction order, the +1. and the -1th diffraction order is broken down.

18. Device according to one of the preceding claims, in which the grid is a surface relief.

19. The apparatus of claim 17, wherein the grid is a deep mo dulated phase grating.

20. The apparatus of claim 2, wherein the angle of inclination is 45 ° is.

21. The apparatus of claim 20, which consist of four equal angles Prisms and four transmission grids, each on a prism follows a transmission grating and two each Prisms are joined together along their longest sides and where the angle of incidence of the laser beam, which is equal to a Ba angle of the prisms is reproduce on each transmission grating is decorated.

22. The device according to one of claims 1 to 6, wherein the at least one lattice or the lattice cantilevered in space, in egg integrated into a solid or on a surface of a light permeable body are arranged.

23. The apparatus of claim 22, wherein the at least one Grating in a vertical arrangement in a layer waveguide is arranged and a lattice structure perpendicular to the propagation direction of modes guided in the layer waveguide hen is.

24. Device according to one of the preceding claims, in which the laser beam combined with the diffraction of a beam is subjected to shaping.