DE60122143T2

DE60122143T2 - Dynamisch veränderliche diffraktive optische elemente

Info

Publication number: DE60122143T2
Application number: DE60122143T
Authority: DE
Inventors: Yaakov Amitai
Original assignee: BEAMUS Ltd
Current assignee: BEAMUS Ltd
Priority date: 2000-06-18
Filing date: 2001-06-17
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2021-06-18
Also published as: IL136849A; US8811823B2; IL136849A0; US7460302B2; DE60122143D1; WO2001098813A2; WO2001098813A3; EP1292857A2; ATE336025T1; AU2001266291A1; US20040033528A1; EP1292857B1; US20090310963A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft diffraktive optische Vorrichtungen (DOEs), und Vorrichtungen, die mehrere gechirpte diffraktive optische Elemente enthalten, die von einem gemeinsamen lichtdurchlässigen Substrat getragen werden.
Die vorliegende Erfindung ist dazu in der Lage, in einer großen Menge von Anwendungen implementiert zu werden. Hier sollen in ausschließlich beispielhafter Weise Implementierungen in Multiplex/Demultiplex-Systemen, kompakten optischen Schaltern und kompakten optischen Scannern erörtert werden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In jüngerer Zeit wurden signifikante Fortschritte in der Lichtleitfasertechnik für Telekommunikationssysteme erzielt. Eines der vorgestellten Verfahren zum effizienteren Ausnutzen der hohen potentiellen Bandbreite von Lichtleitfasern ist das Wellenlängen-Multiplexen (WDM). Mit diesem Verfahren kann eine große Anzahl von Kommunikationskanälen gleichzeitig über eine einzelne Faser übertragen werden. Verschiedene Systeme zum Implementieren von WDM wurden vorgestellt, darunter Systeme, die auf doppelbrechenden Materialien, Oberflächenreliefgittern, Match-Zender-Interferometrie und Wellenleitern basieren. Diese vorgestellten Systeme leiden im Allgemeinen unter niedriger Effizienz, oder unter einer strikten Beschränkung der Anzahl möglicher Kanäle.
Ein anderer vorgestellter Ansatz ist die Benutzung eines dicken Reflexionshologramms. Allerdings macht die Notwendigkeit, eine übliche asphärische Linse zum Kollimieren und/oder Fokussieren der Lichtwellen Systeme dieser Art sperrig und Raum einnehmend. Außerdem ist ein einzelnes holografisches Element für die Signalwellenlänge sehr empfindlich, die normalerweise stark temperaturabhängig ist.
Bei vielen optischen Systemen ist das Abtasten einer ebenen Welle über ein breites Blickfeld, oder das lineare Abtasten eines fokussierten Strahls auf einer Ebene erforderlich. Einige Beispiele sind Winkelscanner für Laserradar, wodurch der übertragene schmale Strahl einen Raumwinkel abdecken muss, der viel breiter ist als die Winkeldivergenz des Strahls; Zielsysteme, bei denen der zentrale Zielpunkt sich als eine Funktion des Zielbereichs und der Geschwindigkeit bewegt; lineare Scanner für Laserdrucker oder Laserplotter, und andere. Bei den existierenden Systemen erfolgt die Strahllenkung mit üblichen optischen Elementen, wie z.B. einem polygonalen Spiegel oder einem Paar Prismen. Diese Systeme leiden unter verschiedenen Nachteilen. Die Abtasteinheit ist relativ groß und schwer, was die Leistung von Systemen begrenzt, bei denen Kompaktheit erforderlich ist; die Massenfertigung ist relativ teuer; die Abtastrate ist durch das mechanische System stark eingeschränkt; rotierende Systeme leiden normalerweise unter Taumeln, das unterdrückt werden muss, um ein genaues Abtasten zu erlauben.
Mehrere Vorschläge wurden gemacht, die Strahllenkung durch eine Mikrolinsenarray-Verschiebung mit entweder einer diffraktiven oder reflektiven Linse durchzuführen. Diese Ansätze leiden normalerweise unter hohen Abweichungen der kleinen f-Zahlen. Außerdem beruhen sie auf einer recht komplizierten und kostspieligen Ausrüstung, die oft die Leistung der Mikrolinsenarrays begrenzt.
Die US-Patentschrift 5,825,523 (Y. Amitai) betrifft eine Lenkvorrichtung für einen linearen Strahl, die zwei diffraktive Elemente aufweist, die eindimensionale gechirpte Gitter in der Form separater Facetten aufweisen. Die Gitter können so linear zueinander verschoben werden, dass eine Winkelablenkung des Ausgangsstrahls erreicht wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist deshalb die weit gefasste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte, relativ kostengünstige, genaue und einfache optische Vorrichtung zur Strahllenkung mit einer hohen Abtastrate bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine kompakte, relativ kostengünstige, genaue und einfache optische Vorrichtung zum Wellenlängen-Multiplexen/Demultiplexen mit hoher spektraler Separation bereitzustellen.
Es ist außerdem eine Aufgabe der Erfindung, eine optische Vorrichtung mit einem Substrat bereitzustellen, wobei eine leichte Veränderung des Brechungsindex zu einer Winkelablenkung des Ausgangsstrahls führt.
Es ist außerdem eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine optische Vorrichtung bereitzustellen, die einen großen Ablenkungskoeffizienten bereitstellt, so dass eine signifikante Ablenkung des Ausgangsstrahls mit Hilfe einer geringen Veränderung des Brechungsindex erreicht wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird deshalb eine diffraktive optische Vorrichtung bereitgestellt, die Folgendes aufweist: eine Lichtquelle, und ein Paar verschiedener, paralleler Gitter, einschließlich eines ersten Gitters und eines zweiten Gitters, wobei jedes Paar paralleler Gitter mindestens eine Folge mehrerer paralleler Reihen aufweist, wobei sich die Abstände zwischen den Reihen allmählich von einer Ecke des Gitters bis zu einem Maximalabstand zwischen den Reihen vergrößern, und wobei die Anordnung von Reihen in dem zweiten Gitter in derselben Richtung wie die des ersten Gitters verläuft. Die optische Vorrichtung weist außerdem ein lichtdurchlässiges Substrat auf, das mindestens zwei Hauptflächen hat, wobei sich das erste Gitter und das zweite Gitter auf den Hauptflächen des Substrats in einem gleich bleibenden Abstand voneinander befinden, und wo Licht von der Lichtquelle innerhalb des lichtdurchlässigen Substrats durch das erste Gitter eingekoppelt ist und durch das zweite Gitter ausgekoppelt ist. Die Beugung des Lichts wird durch Verändern eines Brechungsindexes des Substrats und/oder einer Wellenlänge des Lichts gesteuert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung soll nun in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden erläuternden Figuren beschrieben werden, um so besser verständlich zu sein.
Unter spezifischer Bezugnahme auf die Figuren im Detail ist zu betonen, dass die gezeigten Einzelheiten beispielhaft sind und nur den Zwecken erläuternder Erörterung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen, und zu dem Zweck präsentiert werden, diejenige Beschreibung der Grundgedanken und konzeptuellen Aspekte der Erfindung bereitzustellen, die für die nützlichste und am leichtesten verständlichste gehalten wird. In dieser Hinsicht wurde kein Versuch unternommen, strukturelle Details der Erfindung detaillierter darzustellen, als es für ein grundlegendes Verständnis der Erfindung notwendig ist, wobei die Beschreibung zusammen mit den Figuren einem Fachmann verdeutlicht, wie die verschiedenen Formen der Erfindung in der Praxis ausführbar sind.
In den Figuren zeigen:
1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g und 1h die Geometrie einiger möglicher Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2a und 2b in schematischer Weise einen Strahlverfolgungsausgang beim Durchlaufen von zwei Gittern der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
3 in schematischer Weise einen wiederholten Prozess gemäß der Erfindung;
4 in schematischer Weise die Umwandlung einer ebenen Welle in einen Linearpunktscanner mit Hilfe einer Fokussierungslinse;
5 in schematischer Weise die Benutzung der Doppelgitterkonfigurierung, die dazu aufgebaut ist, ein Wellenlängen-Demultiplexsystem bereitzustellen;
6a und 6b in schematischer Weise die Benutzung der Doppelgitterkonfigurierung, die dazu aufgebaut ist, zur Lichtintensitätsdämpfung oder bei der Lichtamplitudenmodulation benutzt zu werden;
7 in schematischer Weise ein Array identischer Gitterpaare;
8 in schematischer Weise eine weitere Ausführungsform zum Reduzieren der Dicke des Substrats, um eine kompaktere Vorrichtung zu erzielen;
9 einen Graphen, der die Ergebnisse von Simulationen zeigt, die die Verteilung eines Systems als eine Funktion des Brechungsindex des Substrats berechnen und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthalten;
10 einen Graphen, der die Ergebnisse von Simulationen zeigt, die den Ausgangswinkel von dem zweiten Gitter als eine Funktion des Brechungsindex des Substrats berechnen und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthalten;
11 einen Graphen, der die Ergebnisse von Simulationen zeigt, die bei einem Ausgangswinkel von ρ = 20° die Wellenlänge als eine Funktion des Brechungsindex des Substrats der vorliegenden Erfindung berechnen;
12a und 12b Graphen, die die Ergebnisse von Simulationen zeigen, welche die Gitterperiode (in Reihenpaaren/mm) von Gittern G₁ und G₂ als eine Funktion von x (12a) bzw. ξ (12b) zeigen;
13 eine Seitenansicht einer ersten Stufe eines Schaltsystems, das eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
14 eine Seitenansicht einer zweiten Stufe des Schaltsystems aus 13;
15 eine Ansicht von oben auf ein optisches Schaltsystem;
16 ein schematisches Diagramm, das die S-Polarisation eines Eingangsstrahls zeigt, und
17 ein schematisches Diagramm, das die S-Polarisation eines einheitlichen und symmetrischen Eingangsstrahls zeigt.
Genaue Beschreibung
In ihrer einfachsten Form, gezeigt in 1a, weist die optische Vorrichtung 2 ein lichtdurchlässiges Substrat 4 mit zwei Facetten oder Flächen 6, 8 auf. Mehrere parallele Reihen 10 sind an der Fläche 6 ausgebildet und bilden ein erstes Gitter A. Die Abstände zwischen den Reihen nehmen von einer Ecke 12 der Fläche zu ihrer anderen Ecke 14 hin gemäß mathematischen Formeln zu. Die Anordnung von Reihen 16 an Fläche 8 bildet ein zweites Gitter B. Die Abstände zwischen den parallelen Reihen 16 des zweiten Gitters B vergrößern sich in derselben Richtung wie die von Gitter A.
Gemäß der Ausführungsform aus 1b tragen die Flächen 6 und 8 jeweils ein Gitter C bzw. D, wobei jedes Gitter aus parallelen Reihen gebildet ist, deren Abstände sich jeweils von einer Ecke 18 bzw. 20 der Fläche zu ihrer Mitte hin vergrößern, und dann hin zu der anderen jeweiligen Ecke 22, 24 in symmetrischer Weise abnehmen.
1c zeigt eine Modifikation der Anordnung aus 1b, wobei das Substrat 4 zwei Gitter A, A' und B, B' gemäß der Anordnung aus 1a trägt. Ebenso trägt das Substrat aus 1d Gitter C, C' und D, D' auf seinen Flächen 6 und 8, wie in der Anordnung aus 1a.
Die Ausführungsform aus 1e enthält ein Substrat 4 mit Gittern A und B, wie in 1a gezeigt, die auf einer einzigen Fläche 8 gebildet sind. Ebenso zeigt 1f Gitter C und D, wie in 1b, die auf Fläche 8 gebildet sind; 1g zeigt die Gitter A, A', B, B' aus 1c, die auf einer einzigen Fläche 8 gebildet sind, und 1h zeigt Gitter C, C', D, D', die auf einer einzigen Fläche 8 gebildet sind.
Bei dem in 2a und 2b gezeigten Doppelgittersystem ist eine monochromatische ebene Welle W in ein lichtdurchlässiges Substrat durch ein erstes Gitter G₁ auf Fläche 8 eingekoppelt, und dann durch das zweite Gitter G₂, das auf der Fläche 6 gebildet ist, ausgekoppelt. Der Brechungsindex des Substrats kann mit Hilfe externer Mittel dynamisch gesteuert werden, wozu, ohne Beschränkung darauf, das Anwenden eines elektrischen Felds auf das Substrat oder das Beleuchten mit einer starken, kurzwelligen Lichtquelle (nicht dargestellt) zählen. Es gibt viele Materialien, mit denen der elektro-optische Effekt ausgenutzt werden kann, um den Brechungsindex des Materials zu steuern. Ein solches gut bekanntes Material ist Lithiumniobat (LiNbO₃), das kommerziell verfügbar ist und eine sehr kurze Reaktionszeit im Bereich von 10^–9 Sekunden aufweist. Allerdings können auch viele andere Materialien, Kristalle und Polymere ebenso gut für den gewünschten Zweck verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung soll ein optisches System bereitstellen, wobei eine Veränderung des Brechungsindex des Substrats eine Winkelablenkung der Ausgangswelle ergibt. Das heißt, wenn der Brechungsindex v₁ ist, tritt die Ausgangswelle W_o von dem zweiten Gitter G₂, das auf der Fläche 6 gebildet ist, mit einem Winkel ρ₁ im Verhältnis zu der Substratebene aus (2a). Wenn allerdings der Brechungs index auf v₂ geändert wird, führt dies dazu, dass die Ausgangswelle W_o mit einem Winkel Δρ abweicht; das heißt, die Ausgangswelle tritt aus dem Gitter G₂ mit einem Winkel ρ₂ zu der Substratebene aus (2b). Daher führt eine fortlaufende Veränderung des Brechungsindex zu einer fortlaufenden Lenkung der Ausgangswelle. Diese Winkellenkung kann mit Hilfe einer geeigneten Sammellinse in eine lineare Abtastung eines fokussierten Strahls umgewandelt werden.
Es wird angenommen, dass die Eingangswelle W_i mit einem Winkel β₀ zu der Senkrechten des Substrats auf das erste Gitter G₁ trifft. Die Eingangs- und Ausgangsstrahlen verbleiben ohne Beschränkung der Allgemeinheit in derselben meridionalen Ebene. Also sind die zwei Gitterfunktionen in y (der Achse senkrecht zu der meridionalen Ebene) invariant, und sind nur abhängig von x, der Ebene des Gitters G₁. Der Abstand zwischen G₁ und G₂ wird auf 1 normiert. Bei dem wiederholten Prozess, gezeigt in 3, wird auf Gitter G₁ ein anfänglicher Punkt x₀ ausgewählt. Der eintreffende Strahl W_i mit Wellenlänge λ₁ wird von x₀ zu einem Punkt ξ₀ auf Gitter G₂ in einer ausgewählten Richtung β₁(x₀) verfolgt. Die Gitterfunktion von G₁ bei x_o ist:
wobei sowohl β₀ als auch β₁(x₀) in 3 als positiv definiert sind. Ohne jede Allgemeinheit wird angenommen, dass die Ausgangswelle für den Brechungsindex v = v₁ bei einem Winkel ρ₁ zu der Substratebene austritt. Daher ist die Gitterfunktion von bei ξ₀:
Die Form des Brechungsindex ist nun von v₁ auf v₂ verändert, und aufgrund der Veränderung des Brechungsindex tritt die Ausgangswelle bei einem Winkel ρ₂ zu der Substratebene aus dem Substrat aus. Die Richtung des auftreffenden Strahls ξ₀ ist:
Das Verfolgen des Strahls 26 in G₁ (gestrichelte Linien) berechnet die Gitterfunktion ϕ₁ an x_i als
wobei die Konstante δρ definiert ist als δρ ≡ sinρ₂ – sinρ₁. Durch Umschalten zurück auf v₁ kann der Prozess weiterlaufen, und der Eingangswinkel bei x_i wird berechnet als
was ergibt:
Nun fährt der iterative Prozess fort, um ϕ₁ und ϕ₂ an den Punkten x₁, x₂, x₃ ... x_i bzw. ξ₁, ξ₂, ξ₃ ... ξ_i zu berechnen. Unter Befolgung desselben Prozesses wie in den Gleichungen 1 bis 6 kann für jedes x_i festgestellt werden, dass
Mit diesem iterativen Prozess können die gewünschten Gitterfunktionen ϕ₁ und ϕ₂ nur für eine endliche Zahl von Paaren berechnet werden. Bei Bekanntheit der diskreten Werte dieser Funktionen können die Werte der anderen Punkte auf den Gittern numerisch durch die Benutzung von Interpolationsverfahren berechnet werden, da jedoch die Anzahl bekannter Werte relativ gering ist, kann der Interpolationsprozess kompliziert und zeitaufwändig sein. Stattdessen sollen hier analytische Funktionen vorgestellt werden, die für einen iterativen Prozess relativ leicht zu berechnen sind.
Wie in 3 gezeigt, ist der Abstand Δx_i ≡ x_i+1 – x_i, mit der sich der Verfolgungsprozess schrittweise entlang der x-Achse „bewegt", etwa
wobei Δβ_i gegeben ist durch
Das Einfügen von Gleichung 9 in Gleichung 8 ergibt
Das Teilen von Gleichung 10 durch Gleichung 7 und das Verallgemeinern der Gleichung für jedes x auf G₁ ergibt
wobei die Konstanten a und b definiert sind als a ≡ (v₁ – v₂)v₁/(v₂δρ) und b = v₁/v₂. Das Definieren von f(x) ≡ sin/β₁(x) ergibt
Für ein System mit einer geringen Veränderung des Brechungsindex kann angenommen werden, dass Δx << 1. Daher kann die folgende Annäherung geschrieben werden:
Das Einfügen von Gleichung 12 in Gleichung 13 ergibt die folgende Differenzialgleichung:
Die Lösung der Gleichung ist
wobei c₀ von der Grenzbedingung (f(x = 0) = 0) als Folgendes ermittelt wird c0 = –a .(16)
So ist die Lösung von Gleichung 15
Das Einfügen von Gleichung 18 in Gleichung 1 zeigt, dass die Gitterfunktion ϕ₁(x) von Gitter G₁ wie folgt ist:
Die Gitterfunktion ϕ₂(ξ) des zweiten Gitters G₂ kann durch einen ähnlichen Prozess wie den oben in Bezug auf Gleichung 1 bis 18 beschriebenen Prozess berechnet werden. Das Ergebnis dieser Berechnung ist
wobei die Konstanten a' und b' nun definiert sind als a' ≡ (v₁ – v₂)v₁/(v₂δρ) und b ≡ v₁/v₂– 1.
Es ist wichtig zu beachten, dass die in Gleichung 18 und 19 gegebene Lösung nicht die genaueste analytische Lösung ist, sondern vielmehr eine annähernde Lösung, welche die Möglichkeit illustriert, eine leichte und schnelle analytische Lösung für den genannten iterativen Prozess zu finden.
In anderen Fällen, in denen das System eine hohe numerische Apertur aufweist, wird eine beugungsbegrenzte Leistung benötigt; daher muss, da die Genauigkeit der Lösung entscheidend ist, eine genauere analytische Lösung gefunden werden. Dies kann geschehen, indem ein genauerer Wert für Δx in Gleichung 10 benutzt wird, oder indem höhere Koeffizienten in der Potenzreihe aus Gleichung 13 gefunden werden. Außerdem kann nach der Berechnung der Werte ϕ₁ und ϕ₂ an den diskreten Punkten x₁, x₂, x₃ ... x_i bzw. ξ₁, ξ₂, ξ₃, ... ξ_i, wie zuvor beschrieben, ein numerisches oder seminumerisches Verfahren benutzt werden, um die benötigte genaue Lösung zu finden.
Außerdem ist die Lösung, und zwar auch die genaueste, für zwei diskrete Werte des Brechungsindex, v₁ und v₂, berechnet, doch es kann davon ausgegangen werden, dass für den dynamischen Bereich von v = {v₁ – Δv/2, v₂ + Δv/2}, wobei Δv ≡ v₂ – v₁, eine Veränderung des Brechungsindex zu v eine Ablenkung der Ausgangswelle in die Richtung sinρv = sinρ1 + δρ·g(v) (20)ergibt, wobei g(v) eine monotone Funktion mit den Werten von g(v) = 0, 1 für v₁ bzw. v₂ ist. Da g(v) = x eine kontinuierliche und monotone Funktion ist, kann auch die inverse Funktion g^–1(x) = v gefunden werden.
Die Winkellenkung der Ausgangswelle kann in lineares Abtasten übertragen werden. Wie in 4 gezeigt, sind zwei Gitter G₁ und G₂ parallel zueinander bereitgestellt, angeordnet an den Flächen eines lichtdurchlässigen Substrats 4, wo der Brechungsindex des Substrats dynamisch gesteuert werden kann. Eine Fokussierungslinse 28 ist in einem bestimmten Abstand von Gitter G₂ bereitgestellt und bildet einen Fokus auf der bilderzeugenden Ebene 30. Die Winkelsteuerung der ebenen Welle wird von der Fokussierungslinse 28 in das lineare Abtasten eines Punkts umgewandelt. Jede ebene welle, die einem unterschiedlichen Brechungsindex entspricht, wird von der Fokussierungslinse 28 auf die bilderzeugende Ebene 30 fokussiert, wo die Fokusse der verschiedenen ebenen Wellen seitlich entlang einer geraden Linie verschoben werden.
Die oben erörterte Winkellenkung wird nur an der x-Achse vorgenommen. Allerdings kann ein zweidimensionaler Scanner leicht hergestellt werden, indem zwei unterschiedliche parallele Substrate kombiniert werden, wodurch die Abtastrichtung jedes Substrats zu derjenigen des anderen senkrecht ist.
Ein anderes Problem besteht darin, dass, da das Verhältnis zwischen den Koordinaten der zwei Gitter x = ξ + tanβ(ξ) ist, die seitliche Dimension des zweiten Gitters wesentlich kleiner ist als die des ersten Gitters der x-Achse, wobei die Dimensionen entlang der y-Achse dieselben bleiben. Das heißt, der Ausgangsstrahl weist eine unsymmetrische Form auf, wobei die seitliche Dimension entlang der y-Achse wesentlich größer ist als entlang der x-Achse. Offenbar besteht das Problem nicht, wenn das Abtastsystem aus zwei Substraten besteht, wie oben beschrieben. Doch auch bei einer Konfigurierung mit einzelnem Substrat kann dieses Problem gelöst werden, indem die breitere Dimension mit Hilfe optischer Mittel wie z.B. eines Faltprismas zusammengezogen wird.
Bis zu dieser Stelle wurde die Ausnutzung der Doppelgitterkonfigurierung beschrieben, eingebettet in ein lichtdurchlässiges Substrat. Allerdings könnte dieselbe Konfigurierung auch für andere Anwendungen benutzt werden, darunter Wellenlängen-Multiplexen, optisches Schalten, Lichtintensitätsdämpfung, Lichtamplitudenmodulation und viele andere.
Unter Berücksichtigung des oben beschriebenen Systems aus Gleichung 1 bis 19, für den speziellen Fall, für den β₀ = 0, und der Brechungsindex v₁ festgelegt ist, jedoch die Wellenlänge von λ₁ zu λ verändert wird, ist die Richtung des Ausgangsstrahls für jeden Punkt x auf dem ersten Gitter G₁
Das Einfügen von Gleichung 1 in Gleichung 21 ergibt
Daher
Allerdings ist in dem vorhergehenden Fall, wobei die Wellenlänge λ = λ₁ festgelegt ist, und die Variable der Bre chungsindex v ist, die Richtung des Ausgangsstrahls für jeden Punkt x auf dem ersten Gitter G₁
Daher ist die Ausgangsrichtung für jeden Punkt x auf dem Gitter G₁ in beiden Fällen gleich, nämlich sinβv1 (x) = sinβλ1 (x), (25)bei einer Bedingung, dass
Daraus folgt, dass jeder Strahl mit einer Richtung sinβ v / 1 auf das zweite Gitter G₂ an einem Punkt ξ trifft, wo die Gitterfunktion
ist.
Die Ausgangsrichtung für jeden Punkt ξ auf G₂ ist nun
Das Einfügen der Gleichungen 25 und 27 in Gleichung 28 ergibt
Das Einfügen der Gleichungen 20 und 26 in Gleichung 29 ergibt
Hinsichtlich des allgemeineren Falls, in dem sowohl die Wellenlänge als auch der Brechungsindex Variablen sind, ist die Richtung des Ausgangsstrahls für jeden Punkt x auf dem ersten Gitter G₁
Der Fall ist äquivalent zu der Veränderung allein des Brechungsindex zu v^o, wobei
Deshalb ist die Ausgangsrichtung für jeden Punkt ξ auf G₂
Das Einfügen von Gleichung 20, wobei v^o = v, in Gleichung 33 ergibt
Das Einfügen von Gleichung 32 in Gleichung 34 ergibt
Offenbar ist sinρ^v·λ(ξ) = sinρ^v·λ eine Konstante über den gesamten Bereich des Gitters G₂. Aus diesem Grund ist der Ausgangsstrahl eine ebene Welle. Deshalb kann die vorliegende Erfindung auch als eine Wellenlängen-Multiplex/Demultiplex-Vorrichtung benutzt werden.
5 erläutert die Benutzung der Doppelgitterkonfigurierung, die aufgebaut ist, um ein Wellenlängen-Demultiplexsystem bereitzustellen, das eine optische Vorrichtung 32 aufweist, die eine einzelne Quellfaser 34 und mehrere Empfangsfasern an Empfangsstellen RL₁, RL₂ ... RL_n verbindet. Die Quellfaser 34 enthält n unterschiedliche Kommunikationskanäle CC₁ ... CC_n mit jeweiligen Wellenlängen λ₁ ... λ_n. Das erste Gitter G₁ koppelt die entsprechenden Eingangskanäle in das lichtdurchlässige Substrat 4 ein, und das zweite Gitter G₂ koppelt sie aus, und lenkt sie in verschiedene Richtungen ab. Jeder Kanal CC_i wird dann durch eine Fokussierungslinse 36 auf seine Empfangsfaser RL fokussiert. Die Ausbreitungsrichtung der Wellen kann umgekehrt werden, um ein System bereitzustellen, das eine Anzahl von Kanälen von ihren separierten Quellfasern auf eine Empfangsfaser multiplext. Da das lichtdurchlässige Substrat sehr nah an den Fasern angeordnet sein kann, und die Lichtwellen in dem Substrat geführt werden, kann das System kompakt und leicht zu benutzen sein.
Es ist klar, dass die oben beschriebene Ausführungsform auch mit einem Substrat, das aus einem Material mit einem konstanten Brechungsindex besteht, für WDM benutzt werden kann, d.h. wenn v = v₁ = const. Allerdings ist es vorteilhaft, Materialien zu benutzen, bei denen der Brechungsindex gesteuert werden kann. Einer der Hauptnachteile der Benutzung eines einfachen Gitters als WDM-Vorrichtung besteht darin, dass es sehr empfindlich für die Signalwellenlänge ist, die normalerweise stark temperaturabhängig ist. Da außerdem der Durchmesser des Faserkerns kleiner als 10 μm ist, sollten die Toleranzen des optischen Systems sehr eng sein, um eine Verschlechterung des optischen Signals aufgrund einer leichten Veränderung der Umgebungsbedingungen zu verhindern. Die Notwendigkeit, die optischen und mechanischen Toleranzen einzuengen, macht das optische System sehr teuer und sogar unpraktisch. Im Gegensatz zu einem einfachen Gitter können bei dem System gemäß der vorliegenden Erfindung Veränderungen der Umgebungsbedingungen durch Verändern des Brechungsindex dynamisch ausgeglichen werden. Da beispielsweise g^–1(x) eine kontinuierliche und monotone Funktion ist, ist es möglich, einen Brechungsindex v zu finden, der das Verhältnis
oder
erfüllt, was
ergibt.
Das Ersetzen von Gleichung 35 in Gleichung 38 ergibt sinρ1 = sinρv·λ. (39)
Das heißt, der Ausgang weist die ursprüngliche Richtung auf, als ob das System die Werte von v₁ und λ₁ aufweist. Deshalb kann ein Ausgleich für eine Veränderung der Wellenlänge vorgenommen werden, indem der Brechungsindex geändert wird, und umgekehrt. Außerdem kann das Bandelement 35, das an den Empfangsfasern angebracht und mit einer Steuereinheit 37 des Brechungsindex verbunden ist, eine geschlossene Regelvorrichtung erzeugen, die in optimaler Weise die Leistung des optischen Systems steuert.
Eine andere mögliche Anwendung der vorliegenden Erfindung ist als ein optischer Schalter. In der in 5 gezeigten Ausführungsform kann jeder der optischen Kanäle CC₁ ... CC_n mit den jeweiligen Wellenlängen λ₁ ... λ_n in eine der Ausgangsstellen RL₁ ... RL_n weitergeleitet werden. Das Weiterleiten des Kanals CC_i an die Ausgangsstelle RL₁ kann durch Einstellen eines Brechungsindex v j / i erfolgen, der die Gleichung
löst.
Das Einfügen von Gleichung 35 in Gleichung 37 ergibt
welche die Lösung
aufweist, wodurch v₁ der ursprüngliche Brechungsindex ist, der dazu bestimmt ist, jeden Kanal CC_k an seine jeweilige voreingestellte Ausgangsstelle RL_k weiterzuleiten. Offenbart kann diese Ausführungsform verallgemeinert werden, um einen optischen Schalter zwischen n optischen Kanälen CC₁... CC_n und m möglichen Ausgangsstellen RL₁ ... RL_m zu erzeugen, wobei n ≠ m.
Andere potentielle Anwendungen der vorliegenden Empfindung liegen in der Lichtintensitätsdämpfung, oder der Lichtamp litudenmodulation. Bei vielen faseroptischen Anwendungen ist es entscheidend, die Intensität des Lichts zu steuern, das in die Faser eingekoppelt wird. Die Vorrichtungen, die gegenwärtig zum Steuern der eingekoppelten Lichtintensität benutzt werden, sind hauptsächlich mechanische Dämpfer, die relativ teuer sind und unter einer langen Reaktionszeit leiden. In der Ausführungsform aus 6a und 6b kann die genaue Richtung der optischen Welle W_o, die aus dem Substrat 4 austritt, durch Verändern des Brechungsindex des Substrats gesteuert werden. Eine Winkellenkung der Welle wird mit Hilfe der Sammellinse 36 in eine lineare Verschiebung der fokussierten Welle umgewandelt. Daher kann der genaue Abschnitt der fokussierten Welle eingestellt werden, der in die Empfangsfaser RL eingekoppelt wird, und die Vorrichtung kann als ein optischer Intensitätsdämpfer betrieben werden (6b). Außerdem kann, da die Reaktionszeit der Veränderung des Brechungsindex normalerweise sehr kurz ist, mit dieser Vorrichtung eine Intensitätsmodulation der eingekoppelten Welle vorgenommen werden.
Eine andere potentielle Ausnutzung der vorliegenden Erfindung ist ein Monochromator. Es gibt viele Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, einen monochromatischen Strahl aus einer optischen Welle zu erzeugen, der ein wesentlich breiteres Spektrum aufweist, wobei die genau ausgewählte Wellenlänge des Ausgangs dynamisch während des Betriebs der Vorrichtung eingestellt werden sollte. Wie oben für optisches Schalten beschrieben, kann, wenn der Detektor nur aus einer vorbestimmten Richtung Licht empfängt, die gewünschte Wellenlänge eingestellt werden, um in dieser Richtung auszutreten, indem der geeignete Brechungsindex eingestellt wird. Außerdem kann diese Vorrichtung auch als ein Spektrometer benutzt werden, indem die Intensität der Ausgangswelle als eine Funktion der Wellenlänge gemessen wird.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die die Implementierungsmöglichkeiten der vor liegenden Erfindung erläutern. Die Erfindung kann auch in vielen anderen potentiellen Anwendungen benutzt werden, darunter, ohne Beschränkung darauf, Winkeltreiber für Laser-Entfernungsmesser, dynamische Zielsysteme, Laserstrahllenker für CD-ROM-Lesevorrichtungen und andere, bei denen die dynamische Steuerung der Richtung einer optischen Welle wünschenswert ist.
Eine anderer zu berücksichtigender Punkt, der hauptsächlich die Benutzung des Systems zu Abtastzwecken betrifft, sind die Abmessungen des lichtdurchlässigen Substrats. Das Verhältnis zwischen den Aperturen des ersten Gitters G₁ und des zweiten Gitters G₂ ergeben sich durch xmax = ξmax + tanβ01 (ξmax), (43)wobei x_max und ξ_max die Apertur des Gitters G₁ bzw. G₂ sind. Es ist zu erkennen, dass zwei gegensätzliche Gedanken bei der Auswahl von ξ_max vorliegen. Einerseits erhöht sich die Größe der Kopplerapertur mit ξ_max; bei einer jeweiligen Apertur führt also das Erhöhen von ξ_max zu einer Senkung von d, wodurch ein kompakteres System erzielt werden kann. Andererseits nehmen die Ablenkungen der Ausgangswelle ebenfalls mit β₁(ξ_max) zu, das monoton mit ξ_max zunimmt; durch Erhöhen von ξ_max nimmt also die Leistung des Systems ab. Aufgrund dieser Gedanken wäre anzunehmen, dass ein optimaler Wert für ξ_max für jede unterschiedliche Auslegung gemäß der gewünschten Systemgröße und optischen Leistung gewählt werden muss. Unglücklicherweise existiert dieser optimale Wert für ξ_max nicht. Beispielsweise kann eine typische Scannerapertur etwa einige zehn mm betragen, während die Dicke des Substrats nicht mehr als 20 bis 30 mm betragen kann. Andererseits sind die Ablenkungen für ξ_max > 2·d so, dass die optische Leistung unter der Beugungsgrenze liegt. Diese Begrenzung kann durch Zusammenstellen eines Arrays von n identischen Gittern überwunden werden, gegeben durch
wobei Gkj = Gij für 1 ≤ i, k ≤ n. Für alle 1 ≤ i ≤ n ist das Gitter G i / 1 im Verhältnis zu dem zweiten Gitter G i / 2 aufgebaut.
Da das erste Gitter G₁ aus einer großen Anzahl von Facetten aufgebaut ist, sollte die Beugungseffizienz dieser Facetten richtig eingestellt sein, um eine einheitliche Beleuchtung des zweiten Gitters G₂ zu erreichen. Außerdem sollte besonders darauf geachtet werden, Abstände zwischen den Elementen G i / 1 zu vermeiden, um einen Energieverlust zu vermeiden und eine Ausgangswelle mit einheitlicher Intensität sicherzustellen. Um dies zu gewährleisten, sollte die Koordinate x i / max der Facette G i / 1 identisch zu der Koordinate xⁱ⁺¹ = 0 der benachbarten Facette G i+1 / 1 sein. Der Gesamtbereich des Gitters G₁ ergibt sich durch RL(G1) = n·xmax = n·(ξmax + tanβ1(ξmax). (45)
Für ein jeweiliges System wird der Parameter ξ_max gemäß der gewünschten Leistung berechnet, und RL(G₁) wird gemäß der Systemapertur eingestellt. Daher ist es möglich, aus Gleichung 45 die erforderliche Anzahl von Facetten n zu errechnen.
Eine alternative Art und Weise zum Reduzieren der Dicke des Substrats, um ein kompakteres System zu erzielen, ist in 8 dargestellt. Die Welle W₁, die in das Substrat mit Hilfe des Gitters G₁ eingekoppelt wird, gelangt nicht direkt zu dem zweiten Gitter G₂, sondern wird zuerst einige Male von den Flächen 38, 40 des Substrats reflektiert. Diese Reflexion kann durch eine reflektierende Beschichtung an den Flächen des Substrats oder, wenn die Kopplungswinkel groß genug sind, durch totale interne Reflexion erreicht werden. Auf jeden Fall ist die tatsächliche Dicke des Substrats d_act = d/(n + 1), wobei n die Anzahl der Reflexionen der Substratflächen ist. Es sollte darauf geachtet werden, eine Überlagerung zwischen der eingekoppelten Welle nach der ersten Reflexion und dem aktiven Bereich der Gitter zu vermeiden. In der ursprünglichen Ausführungsform, die oben beschrieben ist, gelangt das Licht direkt von G₁ zu G₂, weshalb die Gitter auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sind. Es gibt jedoch Konfigurierungen mit einer ungeraden Zahl von Reflexionen von den Substratflächen, wobei die Eingangs- und die bilderzeugenden Wellen auf derselben Seite des Substrats angeordnet sein können.
Ein Beispiel der Vorrichtung aus 8 weist die folgenden Parameter auf: δρ/(v2 – v1) = 5; v1 = 1,5; λ1 = 1,5 μm; d = 30 mm; ρ1 = 20°; β0 = 0 (46)
Die maximale Streuung als eine Funktion des Brechungsindex für ein Doppelgitter, das gemäß den Gleichungen 18 und 19 ausgelegt ist, kann berechnet werden. Die Streuung auf dem Band ist v_i± Δv/2, wobei Δv ≡ 0,02v₁, und wobei x_max d/3 = 10 mm ist, weshalb ξ_max auf etwa 1 mm eingestellt ist. Auf diese Weise beträgt die Beugungsgrenze des Systems etwa 1,5 Milliradian. Die Strahlen werden zweimal von den Flächen des Substrats reflektiert, weshalb die tatsächliche Dicke des Substrats 4 10 mm beträgt.
9 zeigt die Winkelstreuung als eine Funktion des Brechungsindex (normiert auf v₁). Aus dieser Figur geht hervor, dass die maximale Streuung des Doppelgitters nur 0,4 Milliradian beträgt, was tatsächlich eine beugungsbegrenzte Leistung für das in Gleichung 46 definiert System ist. Es ist sogar möglich, die Systemapertur um einen Faktor von drei zu erhöhen, und trotzdem eine nahezu beugungsbegrenzte Leistung von 0,5 Milliradian zu erzielen.
10 zeigt den Ausgangswinkel des zweiten Gitters als eine Funktion des Brechungsindex normiert auf v₁, für das in Gleichung 46 definierte System. Das System weist einen Abtastbereich von 100 Milliradian (etwa 6°) für einen Brechungsindex mit einem dynamischen Bereich von Δv ≡ 0,02v₁ auf.
11 zeigt die Benutzung der vorliegenden Erfindung als ein optischer Schalter und/oder ein Monochromator. Die Figur zeigt die Wellenlänge, bei einem Ausgangswinkel ρ = 20°, als eine Funktion des Brechungsindex. Durch Kombinieren der Resultate aus 10 und 11 ist klar zu erkennen, dass eine Veränderung der Wellenlänge von Δλ = 1,5 nm eine Winkelablenkung von 5 Milliradian ergibt, was die Leistung der Vorrichtung als ein WDM zeigt. Eine noch bessere spektrale Empfindlichkeit kann durch Auswählen eines höheren Ablenkungsverhältnisses (δρ/(v₂ – v₁)) für das System erreicht werden.
12a und 12b zeigen die Gitterperiode (in Reihenpaaren/mm) der Gitter G₁ und G₂ als eine Funktion jeweils von x (12a) bzw. ξ (12b). Beide Funktionen nehmen mit ξ und x monoton zu, und der Herstellungsprozess für beide Gitter sollte recht einfach sein. Außerdem können andere Gitter mit konstanten Gitterperioden, die leicht durch übliche Verfahren wie holografisches Aufzeichnen oder Fotolithografie herzustellen sind, den Flächen des Substrats hinzugefügt werden. Auf diese Weise können die maximalen Gitterperiodenwerte der Gitter G₁ und G₂ unter 250 Reihenpaaren/mm liegen.
Eine Kombination der oben beschriebenen Ausführungsformen kann benutzt werden, um ein vollkommen optisches Schaltsystem zu schaffen, das als Eingang n Kommunikationskanäle und n verschiedene Wellenlängen λ₁ ... λ_n aufweist, und als ein Ausgang m Empfangskanäle RC₁ ... RC_m (nicht dargestellt).
13 zeigt eine Seitenansicht (eine Projektion auf der Ebene ξ-ζ) der ersten Stufe des Schaltsystems. Die n Eingangskanäle 42 sind durch ein Diffraktionsgitter G₁ in das Substrat 4 eingekoppelt, an einer Stelle, wo das Substrat aus einem passiven Material aufgebaut ist. Das Paar Gitter G₁, G₂ wird benutzt, um das Wellenlängen-Demultiplexen durchzuführen, unter Verwendung des oben unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Verfahrens. Das zweite Gitter fängt die Ausgangswellen in dem Substrat durch totale interne Reflexion ein.
13 zeigt, wie eine seitliche Separation zwischen zwei verschiedenen Kanälen 44, 46 mit den Wellenlängen λ_i bzw. λ_j erreicht werden kann. Nachdem eine vollständige seitliche Separation der Kanäle erreicht wurde, wird ein Array aus Gittern 48₁ bis 48_n benutzt, um die eingefangenen Wellen so zu drehen, dass die Ausbreitungsrichtung der separierten Wellen entlang der η-Achse erfolgt, die senkrecht zu der Figurebene ist.
14 zeigt eine Seitenansicht (eine Projektion auf der Ebene η-ζ) der zweiten Stufe des Schaltsystems. Nach der Drehung durch die Gitter 48 treffen die eingefangenen Wellen auf ein Array aus Gittern 50 auf, wobei das Substrat an dieser Stelle aus einem dynamischen Material aufgebaut ist, das einen Brechungsindex aufweist, der durch eine externe Spannung gesteuert werden kann. Obwohl nicht in der Figur sichtbar, ist zu beachten, dass die verschiedenen Kanäle entlang der ξ-Achse seitlich separiert sind, wo jeder Kanal 44, 46 sein jeweiliges Gitterpaar 50, 52, und einen separaten Abschnitt des Substrats aufweist, wobei der Brechungsindex jedes Abschnitts gesondert gesteuert werden kann. Jedes Gitterpaar 50, 52 wird benutzt, um die Ausgangswinkel der Kanäle 44, 46 mit Hilfe des oben unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Verfahrens zu steuern. Das Gitterarray 54 koppelt die eingefangenen Wellen von dem Substrat an eine Kopplungsoptik 56, 58, um die Wellen in ihre jeweiligen Empfänger 60, 62 zu fokussieren.
Für ein mehrstufiges optisches Schaltsystem kann ein optionales Array von Wellenlängenkonvertern 64, 66 in den optischen Durchgang der Wellen eingefügt werden, um die Wellenlänge der Welle umzuwandeln, die in einen Empfänger RC_k in die Wellenlänge λ_k weitergeleitet wird.
Ein anderes Thema, das angesprochen werden sollte, ist die Polarisation des einfallenden Lichts. Es ist gut bekannt, dass es einfacher ist, diffraktive Gitter oder Elemente mit Hilfe des elektro-optischen Effekts für S-polarisiertes Licht herzustellen, als für nicht polarisiertes oder P-polarisiertes Licht. Es gibt Fälle, in denen Lichtquellen wie VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) linear polarisiert sind. Allerdings gibt es viele Fälle, besonders im Zusammenhang mit der faseroptischen Kommunikation, in denen die Polarisation des Eingangsstrahls unbekannt ist.
Dieses Problem kann gelöst werden, indem eine Halbwellenplatte und ein Polarisationsstrahlenteiler benutzt werden. Wie in 16 gezeigt, tritt Lichtstrahl 64, der eine undefinierte Polarisation aufweist, aus einer Lichtquelle 66 aus und trifft auf einen Polarisationsstrahlenteiler 68. Der Abschnitt des Lichtstrahls 70, der eine P-Polarisation aufweist, verläuft weiter in dieselbe Richtung, während der S-polarisierte Lichtstrahl 72 reflektiert wird und auf einen Faltspiegel 74 trifft, der das Licht wieder in seine ursprüngliche Richtung reflektiert. Durch Benutzung einer Halbwellenplatte 76 ist es möglich, die Polarisation des P-polarisierten Lichts so zu drehen, dass es im Verhältnis zu der Gitterebene S-polarisiert wird. Auf diese Weise wird das Gitter G₁ mit S-polarisiertem Licht beleuchtet. Diese Lösung leidet jedoch unter zwei Hauptproblemen. Erstens ist der Querschnitt des Eingangsstrahls nicht mehr symmetrisch. Das heißt, die Querabmessung des Strahls auf der ξ-Achse beträgt das Doppelte der Querabmessung auf der η-Achse. Da außerdem die Polarisation des Eingangsstrahls unbekannt ist und jede Ausrichtung aufweisen kann, besteht Unsicherheit hinsichtlich der Energieverteilung des Eingangsstrahls entlang der ξ-Achse. Diese nicht ausgestaltete Energieverteilung stellt einen Nachteil bei optischen Systemen dar, bei denen eine beugungsbegrenzte Leistung benötigt wird.
17 zeigt eine modifizierte Version von 16, welche diese zwei Probleme löst. Nach Überqueren der Halbwellenplatte 76 wird der Lichtstrahl 70 durch den Faltspiegel 78 gedreht und dann mit dem Lichtstrahl 72 durch einen 50%igen Strahlenteiler kombiniert. Das Gitter G₁ wird nun von einem S-polarisierten, einheitlichen und symmetrischen Lichtstrahl 82 beleuchtet. Die Hälfte der Eingangsenergie 84 geht während dieses Prozesses verloren, aber normalerweise ist die Energie des Eingangslichtstrahls groß genug, um diesen Verlust zu überstehen.
Nicht nur S-polarisierte Eingangsstrahlen, sondern auch linear polarisierte Lichtstrahlen können mit dem oben beschriebenen System erzeugt werden.
Für Fachleute wird offensichtlich sein, dass die Erfindung nicht auf die Details der vorangegangenen erläuterten Ausführungsformen beschränkt ist, und dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen verkörpert sein kann. Die vorliegenden Ausführungsformen sind deshalb in jeder Hinsicht als erläuternd und nicht begrenzend zu verstehen, wobei der Umfang der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche definiert wird, und nicht durch die vorangegangene Beschreibung, weshalb alle Änderungen, die in den Umfang der Ansprüche fallen, als mit einbezogen gelten.

Claims

Diffraktive optische Vorrichtung (2), umfassend: eine Lichtquelle und ein Paar verschiedener, paralleler Güter (G₁, G₂; A, B; C, D; A', B'; C', D'), einschließlich eines ersten Gitters (G₁; A; C; A'; C') und eines zweiten Gitters (G₂; B; D; B'; D'), jedes Paar paralleler Gitter (G₁, G₂; A, B; C, D; A', B'; C', D') umfassend mindestens eine Folge mehrerer paralleler Reihen (10, 16), wobei sich die Abstände zwischen den Reihen (10, 16) allmählich von einer Ecke (18; 20) des Gitters ((G₁, G₂; A, B; C, D; A', B'; C', D') bis zu einem Maximalabstand zwischen den Reihen (10, 16) vergrößern und wobei die Anordnung von Reihen (10, 16) in dem zweiten Gitter (G₂; B; D; B'; D') in der selben Richtung wie die des ersten Gitters (G₁; A; C; A'; C') verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) ein lichtdurchlässiges Substrat (4) umfasst, das mindestens zwei Hauptflächen (6, 8) hat, wobei sich das erste Gitter (G₁; A; C; A'; C') und das zweite Gitter (G₂; B; D; B'; D') auf den Hauptflächen (6, 8) des Substrats (4) in einem gleichbleibenden Abstand voneinander befinden und wo Licht von der Lichtquelle innerhalb des lichtdurchlässigen Substrats (4) durch das erste Gitter (G₁; A; C; A'; C') eingekoppelt ist und durch das zweite Gitter (G₂; B; D; B'; D') ausgekoppelt ist, wodurch eine Beugung des Lichts durch Verändern eines Brechungsindexes des Substrats (4) und/oder einer Wellenlänge das Lichts gesteuert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Licht von der Lichtquelle auf das erste Gitter (G₁; A; C; A'; C') übertragen wird und wobei das erste Gitter (G₁; A; C; A'; C') das Licht auf das zweite Gitter (G₂; B; D; B'; D') beugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend mehrere Gitterpaare (A, A', B, B'; C, C', D, D'), die aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der Gitter (C, C', D, D') mehrere parallele Reihen hat, wobei sich die Abstände von einem Ende der Ecke (18, 20) zur Mitte hin vergrößern und sich dann zum anderen Ende (22, 24) hin auf symmetrische Weise verkleinern, und wobei die Anordnung der Reihen im zweiten Gitter (D, D') in der gleichen Richtung verläuft wie die des ersten (C, C') und wobei mehrere solcher Gitterpaare (C, C', D, D') aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Brechungsindex des lichtdurchlässigen Substrats (4) dynamisch von außen gesteuert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Brechungsindex des Substrats (4) dynamisch durch Anwendung eines elektrischen Feldes auf dem Substrat gesteuert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Brechungsindex des Substrats (4) dynamisch durch Beleuchtung des Substrats mit einer starken, kurzwelligen Lichtquelle gesteuert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Veränderung des Brechungsindexes des Substrats (4) eine Winkelablenkung eines Ausgangsstrahls, der die beiden parallelen Gitter (G₁, G₂) durchquert, verursacht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend eine Fokussierungslinse (28), die sich vor einem der Paare paralleler optischer Gitter (G₂) befindet und die einen Punktscan auf einer bilderzeugenden Ebene (30), die durch den Brennpunkt der Fokussierungslinse (28) festgelegt ist, erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, umfassend zwei verschiedene Substrate, die verbunden sind, um eine zweidimensionale Abtastung zu bilden, wobei die Abtastrichtung jedes Substrats sich von der des anderen unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Scanrichtung jedes Substrats senkrecht zu der des anderen verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Übertragung optischer Signale an mehrere Empfangskanäle, jede mit unterschiedlicher Wellenlänge, umfassend mehrere optische Übertragungswege, einen für jeden Empfangskanal, und einen einzelnen optischen Übertragungsweg für alle Kanäle.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei jeder der optischen Übertragungswege eine Lichtleitfaser (34, 35) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Gitter (A, B; C, D; A', B'; C', D') sich auf zwei verschiedenen Hauptflächen (6, 8) befinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Gitter (A, B; C, D; A', B'; C', D') sich auf derselben Hauptfläche (8) befinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei Licht auf eine der Hauptflächen (6, 8) auftrifft und dann durch das erste Gitter (G₁; A; C; A'; C') in eine andere Hauptfläche (8, 6) gebeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Vorrichtung ein Multiplexer ist, der die optischen Signale multiplext, die von der Mehrheit optischer Übertragungswege zu dem einzelnen optischen Übertragungsweg übertragen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Vorrichtung ein Demultiplexer ist zum Demultiplexen der optischen Signale, die von dem einzelnen optischen Übertragungsweg zu der Mehrheit optischer Übertragungswege übertragen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, des Weiteren umfassend ein Umbandelungselement (35), das an die Empfangskanäle angeschlossen und mit einem Steuerungseinheit (37) verbunden ist, um den Brechungsindex zu verändern, um eine geschlossene Regelvorrichtung zu erzeugen, um die Leistung eines optischen Systems optimal zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung ein optischer Schalter ist, der verwendet wird, um zwischen n optischen Kanälen (41) und m möglichen Ausgangsstellen umzuschalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung ein Lichtstärkendämpfer ist, der sich entlang des Weges eines optischen Strahls befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung ein Amplitudenmodulator eines Ausgangsstrahls, der die Gitter durchquert, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: einen Demultiplexer zum Demultiplexen n verschiedener optischer Kanäle, jeder von unterschiedlicher Wellenlänge, die über einen einzelnen optischen Übertragungsweg übertragen werden, und ein optisches Schaltsystem für dynamisches Schalten zwischen den n optischen Kanälen und m möglichen Ausgangsstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei sich mehrere Wellenlängenkonverter in dem optischen Durchgang der optischen Kanäle befinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, des Weiteren umfassend: eine Halbwellenplatte (76), die sich auf einem der Gitter (G₁) befindet; einen Polarisationsstrahlenteiler (68), der zwischen der Lichtquelle (66) und der Platte (76) eingefügt ist, und einen Faltspiegel (74), der den Lichtstrahl, der vom Strahlenteiler (68) auf eines der Gitter (G₁) auftrifft, reflektiert, um einen linear polarisierten Eingangsstrahl zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 25, des Weiteren umfassend: einen Faltspiegel, der zwischen der Platte (76) und dem Substrat (4) eingefügt ist, und einen zweiten Strahlenteiler (80), der im Verhältnis zur einem der Gitter (G₂) angeordnet ist, um einen Lichtstrahl auf das Güter (G₁) zu richten, um einen linear polarisierten, einheitlichen und symmetrischen Eingangsstrahl zu erzeugen.
Optisches System, umfassend: mehrere Vorrichtungen (2) nach Anspruch 1, wobei ein Lichtstrahl, der einen Ausgangsstrahl von einer Vorrichtung (2) bildet, als Eingangsstrahl in eine andere Vorrichtung (2) verwendet wird.