HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Wellenlängenkonverter, der aus einem einfallenden Laserlichtstrahl eine
Frequenzverdoppelte des Laserlichtstrahls erzeugt und der auf
einfache Weise innerhalb einer Lichtquellenvorrichtung
positionierbar ist und/oder das frequenzverdoppelte Licht als
parallele Strahlen ausgibt.
Beschreibung des Standes der Technik
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Frequenzverdoppeltes Laserlicht tritt in einem Medium
aufgrund des nichtlinearen optischen Effekts auf. Dieser Effekt
bewirkt die Erzeugung des frequenzverdoppelten Lichts, wenn
die Polarisation des auf ein Medium einfallenden Laserlichts
proportional zur zweiten oder einer höheren Ordnung des
elektrischen Felds des einfallenden Laserlichts ist.
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Materialien, in denen der nichtlineare optische Effekt
auftritt, werden nichtlineare optische Materialien genannt. Die
inorganischen Materialien KH&sub2;PO&sub4; und LiNbO&sub3; werden gegenwärtig
als nichtlineare optische Materialien verwendet. Das
organische Material 2-Methyl-4-nitrilanilin (MNA) hat einige
Aufmerksamkeit als nichtlineares optisches Material auf sich
gezogen, da es eine hervorragende nichtlineare optische
Konstante aufweist.
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Typische Wellenlängenkonverter führen einen Einschluß der
Fundamentalkomponente (das ist das einfallende Laserlicht)
aus unter Verwendung von nichtlinearen optischen Materialien,
die für eine hohe Energiedichte geeignet sind, wobei die
Wechselwirkung der Komponenten der Frequenzverdoppelten und
der Fundamentalkomponenten sich über eine lange Strecke
hinzieht. Aus diesem Grund wird ein Wellenlängenkonverter eines
optischen Wellenleitertyps verwendet. Diese Art von
Wellenlängenkonverter weist einen schmalen, auf einem Substrat
ausgebildeten Wellenleiter auf, innerhalb dem das Licht
fortschreitet, und der Wellenleiter und das Substrat sind mit
einer Überzugsschicht bedeckt. Um eine ausreichende Menge an
freguenzverdoppeltem Licht zu erzeugen, muß der optische
Wellenleiter eine Phasenfortschrittgeschwindigkeit der
Frequenzverdoppelten annehmen. Mit anderen Worten, die
Fundamentalkomponente muß in der Phase zu der frequenzverdoppelten
Komponente passen. Das einfachste bekannte Verfahren zum Erhalt
dieser Phasenanpassung basiert auf der Cerenkov-Strahlung.
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Das Cerenkov-Verfahren zur Phasenanpassung wird nun
beschrieben. Wie in der Figur 1 (Stand der Technik) gezeigt ist, wird
frequenzverdoppeltes Licht von durch einen optischen
Wellenleiterabschnitt 121 fortschreitendem Licht an Punkt A
erzeugt. Das frequenzverdopptelte Licht breitet sich unter
einem Winkel α bezüglich der optischen Achse des
Wellenleiterabschnitts 121 zu einem Substrat 122 und einer
Überzugsschicht 123 hin aus. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer wird
das frequenzverdoppelte Licht an Punkt B so erzeugt, wie es
an Punkt A erzeugt wurde. Wenn die Ebene gleicher Phase des
bei Punkt A erzeugten freguenzverdoppelten Lichts mit der des
bei Punkt B erzeugten frequenzverdoppelten Lichts
zusammenfällt, dann wird frequenzverdoppeltes Licht emittiert. Die
Emission des frequenzverdoppelten Lichts erfolgt in der
Richtung des Winkels α. Wenn die folgende Beziehung gilt, tritt
Phasenanpassung auf:
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ns(2w) > nG (w) > ns (w), (1)
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wobei ns(w) der Brechungsindex des Substrats 122 für die
Fundamentalkomponente ist, nG (w) der Brechungsindex für den
Wellenleiterabschnitt 121 ist, und ns(2w) der Brechungsindex
des Substrats 122 für die frequenzverdoppelte Komponente ist.
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In einem wie oben beschriebenen Wellenlängenkonverter eines
optischen Wellenleitertyps weist der Fluß von durch den
Wellenleiter fortschreitenden Lichtstrahlen einen genau
geformten Querschnitt auf. Die Kondensierung der emittierten
Strahlen ist jedoch schlecht. Mit anderen Worten, die emittierten
Lichtstrahlen können nicht in einen kleinen Fleck kondensiert
werden. Deshalb ist es schwierig, das frequenzverdoppelte
Licht zum Schreiben von Daten in ein optisches
Aufzeichnungsmedium wie eine optische Scheibe und zum Lesen von Daten aus
diesem zu verwenden.
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Es wurde nachgewiesen, daß ein Wellenlängenkonverter eines
optischen Fasertyps, wie in der Figur 2 gezeigt ist, eine
Aufzeichnung mit hoher Dichte in einer optischen Scheibe
verwirklichen kann. Ein Wellenlängenkonverter 130 des optischen
Fasertyps enthält einen Kern 131 und einen Mantel 132, die
die Gleichung (1) erfüllende Brechungsindices aufweisen. Das
frequenzverdoppelte Licht 133, das aus der Endfläche
emittiert wird, expandiert in der Form eines
rotationssymmetrischen Rings. Dementsprechend weist diese Art eines
Wellenlängenkonverters eine ausgezeichnete Kondensierungseigenschaft
auf.
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Zum Kondensieren der emittierten Lichtstrahlen aus einem
Wellenlängenkonverter eines optischen Fasertyps ist es
notwendig, die emittierten Lichtstrahlen zu kollimieren (parallel
zu machen). Die japanischen nichtgeprüften
Patentveröffentlichungen
mit den Nummern Hei.1-287531, 1-293325, 2-35423, 2-
153328, und 2-186327 offenbaren Verfahren zum Kollimieren
emittierter Lichtstrahlen.
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In der japanischen nichtgeprüften Patentveröffentlichung Nr.
Hei.1-287531 ist eine Lichtquellenvorrichtung offenbart, bei
der ein kreisförmiges Kegelprisma, das als kollimierende
Linse verwendet wird, das aus einem Wellenlängenkonverter des
optischen Fasertyps emittierte frequenzverdoppelte Licht
kollimiert.
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In der Figur 3 ist das in der japanischen nichtgeprüften
Patentveröffentlichung Nr. Hei.2-153328 zum Kollimieren
emittierter Lichtstrahlen unter Verwendung einer Fresnel-Linse
151 offenbarte Verfahren gezeigt. Die Fresnel-Linse 151
beinhaltet ein konzentrisches kreisförmiges Beugungsgitter, das
gegen die lichtemittierende Endfläche 150a des
Wellenlängenkonverters 150 gerichtet ist. Wenn die emittierten
Lichtstrahlen einmal kollimiert worden sind, können die
Lichtstrahlen einfach kondensiert werden.
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In beiden oben beschriebenen Vorrichtungen ist es schwierig,
den Wellenlängenkonverter innerhalb einer
Lichtquellenvorrichtung aufgrund der geringen Größe (1-2µm) des
Wellenlängenkonverters zu positionieren. Die Vorrichtungen haben auch
den Nachteil, daß es schwierig ist, die optische Achse des
Wellenlängenkonverters richtig zu der Achse der
Rotationssymmetrie der kollimierenden Linse auszurichten. Weitere
Schwierigkeiten entstehen bei der richtigen Einstellung des
Abstandes zwischen der lichtemittierenden Endf läche des
Wellenlängenkonverters und der kollimierenden Linse, d.h. eine genaue
Positionierung ist ziemlich schwierig.
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Die in der japanischen nichtgeprüften Patentveröffentlichung
Nr. Hei. 1-293325 offenbarte Vorrichtung ist in der Figur 4
gezeigt. Wie gezeigt, ist die lichtemittierende Endfläche der
optischen Faser 141 in der Form einer kreisförmigen, sich
verjüngenden Oberfläche 141a zum Kollimieren des emittierten
frequenzverdoppelten Lichts gefertigt.
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Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß die
lichtemittierende Endfläche genauestens gefertigt sein muß. Oft wird
beim Herstellen die lichtemittierende Endfläche beschädigt
oder verkratzt, wodurch die Menge an emittiertem
frequenzverdoppeltem Licht verringert wird.
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Andererseits sind gemäß der US-A-4 830 447 an den
Stirnflächen einer Wellenlängenkonvertervorrichtung des optischen
Fasertyps eine Abschirmschicht in der Form einer kappenartigen
Struktur vorgesehen. Die kappenartige Struktur ist an die
Stirnfläche aufgesteckt und befestigt und kann als eine
Halterung für die Vorrichtung verwendet werden, um jegliches
Verkratzen des Mantels zu verhindern, wenn die Vorrichtung
befestigt wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
Probleme bei der Positionierung, der Ausrichtung und des Aufbaus
des herkömmlichen Wellenlängenkonverters des optischen
Fasertyps zu vereinfachen.
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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch
Schaffung eines Wellenlängenkonverters des optischen Fasertyps
gelöst, der die in Anspruch 1 dargelegten Merkmale umfaßt. Ein
alternativer Wellenlängenkonverter umfaßt die in Anspruch 2
dargelegten Merkmale.
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Der Kern und/oder der Mantel der optischen Faser bestehen aus
einem nichtlinearen optischen Material, so daß eine große
Menge an frequenzverdoppeltem Licht emittiert wird.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine
ringförmige Ausnehmung im Mantel am Umfang umlaufend
ausgebildet.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein
Paar von Querausnehmungen in dem Mantel vorgesehen und
ausgebildet.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen und der begleitenden
Zeichnungen, die alle Teil dieser Beschreibung sind, ersichtlich
werden, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in
den verschiedenen Figuren bezeichnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen zeigen:
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Fig.1 eine Darstellung zur Erläuterung des
Phasenanpassungsverfahrens nach dem Stand der Technik auf der Grundlage
von Cerenkov-Strahlung;
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Fig.2 eine Darstellung, die die Form von von bekannten
Wellenlängenkonvertern des optischen Fasertyps ernittiertem
Licht zeigt;
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Fig.3 eine Schnittansicht einer bekannten Vorrichtung zum
Kollimieren von Lichtstrahlen, die aus dem in der Figur
2 gezeigten Wellenlängenkonverter des optischen
Fasertyps emittiert werden;
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Fig.4 eine Schnittansicht einer bekannten
Wellenlängenkonvertervorrichtung des optischen Fasertyps, die kollimierte
Lichtstrahlen emittiert;
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Fig.5 eine Schnittansicht eines Wellenlängenkonverters zur
Unterstützung der Erläuterung der vorliegenden
Erfindung;
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Fig.6 eine schematische Darstellung, die eine den
Wellenlängenkonverter nach der Fig.5 verwendende Lichtquelle
zeigt;
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Fig.7 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines
Halters zum Halten des Wellenlängenkonverters nach der
Figur 5 zeigt;
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Fig.8 eine schematische Darstellung, die eine weitere
Lichtquellenvorrichtung zeigt, in der eine weitere Struktur
zum Positionieren des Wellenlängenkonverters nach der
Figur 5 verwendet wird; und
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Fig.9 und 10 Schnittansichten, die einen
Wellenlängenkonverter gemäß den beiden Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung zeigen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSFORMEN
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Die folgende, die Figuren 5-8 betreffende Beschreibung hat
den Zweck, den Aufbau einer Lichtquellenanordnung, die eine
darin genau positionierbare Wellenlängenkonvertervorrichtung
enthält, zu erläutern.
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Die Figur 6 ist eine schematische Darstellung, die eine
Lichtquellenvorrichtung unter Verwendung eines
Wellenlängenkonverters zeigt. Von einer Laserlichtquelle 1 wie eines
Halbleiterlasers emittierte Laserlichtstrahlen werden durch
eine sphärische Linse 2 kollimiert. Die kollimierten
Laserlichtstrahlen werden durch eine sphärische Kondensorlinse 3
kondensiert und treffen auf einen Wellenlängenkonverter 4
auf. Die Laserlichtquelle 1, die sphärische Linse 2, die
sphärische Linse 3 und der Wellenlängenkonverter 4 sind an
Haltern 51, 52, 53 und 54, die integral mit einer Basis 50
ausgebildet sind, positioniert und mittels eines Haftmittels
fixiert. Der Wellenlängenkonverter 4 ist als orthogonal zu
seiner optischen Achse 10 positioniert gezeigt.
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In der Figur 5 ist ein Wellenlängenkonverter 4 des optischen
Fasertyps gezeigt. Der Wellenlängenkonverter enthält einen
Kern 41, einen Mantel 42 und einen Flansch 7 um die äußere
Umfangsoberfläche des Mantels 42. Der Kern 41 und/oder der
Mantel 42 sind aus nichtlinearem optischen Material wie MNA
(2-Methyl-4-nitrilanilin) hergestellt. Der Flansch 7 ist aus
hochpolymerem transparenten Material wie
Diglycoldiallylcarbonat, Polymethylmetacrylat (PMMA), Polystyren, Polycarbonat,
und Polymicrohexylmethacrylat hergestellt.
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Die Figur 7 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau
des Halters 54 zeigt, an dem der Wellenlängenkonverter 4
befestigt ist. Die obere Oberfläche 55 des Halters 54 ist V-
förmig, was die Positionierung des Wellenlängenkonverters 4
orthogonal zu seiner optischen Achse 10 vereinfacht. Eine in
der oberen Oberfläche ausgebildete Rille 56 weist zur
Aufnahme des Flansches 7 eine Breite W2 auf, die geringfügig
breiter ist als die Breite W1 des Flansches 7. Somit ist der
Wellenlängenkonverter 4 an dem Halter 54 mit dem in der Rille 56
aufgenommenen Flansch 7 anbringbar.
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Der Halter 54 ist derart angeordnet, daß bei angebrachtem
Wellenlängenkonverter 4 die Einfallsendfläche 4a an oder in
der Nähe des Brennpunktes des von der sphärischen Linse 3
emittierten Laserstrahls ist. Daher kann der
Wellenlängenkonverter 4 durch ledigliches Einfügen des Flansches 7 des
Wellenlängenkonverters 4 in die Rille 56 grob positioniert
werden. Danach wird der Wellenlängenkonverter 4 fein
positoniert,
indem er entlang der optischen Achse 10 innerhalb des
Spielbereichs zwischen dem Flansch 7 und der Rille 56
verschoben wird. Die Genauigkeit der Positionierung ist im sub-
µm-Bereich. Nach dem Positionieren wird der
Wellenlängenkonverter 4 an dem Halter 54 durch ein Haftmittel fixiert.
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Dementsprechend ist das Positionieren für den
Wellenlängenkonverter 4 beträchtlich verbessert und in einer kurzen Zeit
ausführbar.
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Eine Feinpositionierung des Wellenlängenkonverters 4 kann
auch unter Verwendung eines Halters 57 durchgeführt werden,
der von der Basis 50 getrennt ist, wie in der Figur 8 gezeigt
ist. In diesem Fall wird der Wellenlängenkonverter 4 mit dem
Halter 57 wie oben beschrieben verbunden. Eine in der
Bodenfläche des Halters 57 ausgebildete Ausnehmung 59 liegt einem
Positioniervorsprung 58 an der Basis 50 gegenüber. Der Halter
57 wird geeignet entlang der optischen Achse 10 des
Wellenlängenkonverters 4 innerhalb eines Spielbereichs zwischen dem
Vorsprung 58 und der Ausnehmung 59 verschoben. Nach
Vollendung der Feinpositionierung wird der Halter 57 mit der Basis
50 verbunden.
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Die Figur 9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine erste
Ausführungsform die vorliegende Erfindung zeigt. In dieser
Ausführungsform ist eine ringförmige Ausnehmung 61 zu
Positionierzwecken an der Umfangsoberfläche des Mantels 42
mittels einer geeigneten Schleifvorrichtung wie eines
Diamantschleifsteins ausgebildet. Ein in die Ausnehmung 61 passender
Vorsprung ist an einem Halter für den Wellenlengenkonverter
(nicht gezeigt) ausgebildet. Die Ausnehmung 61 wie auch der
Flansch 7 ermöglichen, daß der Wellenlängenkonverter schnell
und einfach positionierbar ist.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung können, wie in der Figur 10 gezeigt, paarweise
Ausnehmungen 62, die durch Einschneiden in den
Wellenlängenkonverter 4 gebildet sind, anstelle der ringförmigen Ausnehmung 61
verwendet werden.
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Während die Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde,
was gegenwärtig als die besten und bevorzugtesten
Ausführungsformen angesehen werden, wird man verstehen, daß die
Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen
beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen
und äquivalente Anordnungen innerhalb des Bereichs der
beiliegenden Ansprüche abdecken soll.