DE69125678T2

DE69125678T2 - Abstimmbares Beugungsgitter

Info

Publication number: DE69125678T2
Application number: DE69125678T
Authority: DE
Inventors: James E Jaskie
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1990-10-03
Filing date: 1991-09-23
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2011-09-24
Also published as: EP0479085A2; EP0479085B1; JP3248588B2; EP0479085A3; US5115344A; DE69125678D1; JPH04263204A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Beugungsgitter und insbesondere ein abstimmbares Brechungsgitter.

Hintergrund der Erfindung

Informationen können über optische wellenlängen im sichtbaren oder nahezu sichtbaren Bereich übertragen werden. Die Menge an Informationen, die über optische Wellenlängen. übertragen werden kann, kann durch das Mulitplexen mehrerer Lichtstrahlen erhöht werden, die jeweils eine unterschiedliche wellenlänge aufweisen und so moduliert sind, daß jeder von ihnen eine große Menge an Informationen überträgt.
Diese Wellenlängen von Licht werden normalerweise über eine Lichtleitfaser übertragen. Jede einzelne wellenlänge des Lichtes muß dann getrennt werden, um die darüber übertragenen Informationen zu empfangen.und zu verarbeiten. Für diesen Zweck eignet sich ein Brechungsgitter. Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise Photodetektoren, dienen dazu, die wellenlänge des Lichts weiterzuverarbeiten.
Ein Brechungsgitter nach dem Stand der Technik besteht aus einem Glas-, Quarz- oder Kunststoffmaterial mit Spitzen und Senken bzw. Reihen mit festem Abstand. Das Material ist bei der entsprechenden Wellenlänge durchlässig. Eine Lichtleitfaser ist so angeordnet, daß das Licht das Brechungsgitter durchquert. Die Reihen bzw. Senken zwischen den Spitzen sind so beabstandet angeordnet, daß die in Frage kommende wellenlänge an dem Gitter gebrochen wird. Das bedeutet, daß der Zwischenraum bzw. die Breite der Senken an einem vorgegebenen Abschnitt des Gitters fest sein muß. Der Abstand bzw. die Breite der Senken kann in verschiedenen Abschnitten des Brechungsgitters unterschiedlich sein, so daß verschiedene wellenlängen von Licht an verschiedenen Abschnitten an dem Gitter gebrochen werden. Jede der Wellenlängen kann dann an bestimmten Positionen an dem Brechungsgitter weiterverarbeitet werden.
Wenn diese Brechungsgitter in integrierte Halbleiterschaltungen eingebaut werden, ist es vorteilhaft, wenn das Brechungsgitter leicht integriert werden kann und so klein wie möglich ist. Um eine große Menge an Informationen zu überwachen, sind entweder mehrere Brechungsgitter mit festem Abstand oder ein großes Gitter mit veränderlichem Abstand erforderlich. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Photodetektoren, d.h. einer für jedes Gitter bzw. einer für jede Wellenlänge von Licht, erforderlich, die an einem Gitter mit veränderlichem Abstand überwacht wird. Es ist wünschenswert, große Mengen an Informationen an einem kleinen Brechungsgitter überwachen zu können.
Ein weiteres Verfahren der Trennung von Wellenlinien von Licht ergibt sich mit dem Einsatz von Fabri-Perrot-Interferometern mit piezoelektrischen Treibern. Der Nachteil dieser Strukturen besteht darin, daß sie kompliziert, empfindlich und teuer sind.
DE-39-43 287 A beschreibt ein Brechungsgitter mit einem inaktiven Gitterkörper und einem piezoelektrisch aktiven Gitterträger, der Feinabstimmung der Wellenlänge gebrochener Strahlung ermöglicht.
In "Electronics and Communication in Japan", Band 63-C, Nr. 10, Seiten 94 bis 100, beschreiben T. Utsunomiya et al. unter dem Titel "Electrically Deformable Echelette Grating and It's Application to Tunable Laser Resonator" (Elektrisch verformbares Echelette-Gitter und sein Einsatz bei einem abstimmbaren Laserresonator) ein elektrisch verformbares Echelette-Gitter mit Brechungseigenschaften, die durch die Scherbeanspruchung (shear strain) eines piezoelektrischen Materials gesteuert werden. Zusammenfassung der Erfindung Gemäß der Erfindung wird ein abstimmbares Brechungsgitter geschaffen, das umfaßt: Elemente eines elektrisch leitenden Materials, die auf einem verformbaren Material in einer Reihe angeordnet sind, wobei das verformbare Material für eine Reihe von Wellenlängen von Licht durchlässig und entsprechend einem angelegten elektrischen Feld verformbar ist und die Elemente des elektrischen leitenden Materials eine erste Wellenlänge von Licht brechen; sowie eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung an die Elemente des elektrisch leitenden Materials, so daß sich die Zwischenräume zwischen den Elementen ändern und das Brechungsgitter eine zweite Wellenlänge von Licht bricht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf ein Brechungsgitter der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil eines Brechungsgitters der vorliegenden Erfindung, das in einem ersten Aufbau zu sehen ist;
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf ein Brechungsgitter der vorliegenden Erfindung, das in einem zweiten Aufbau zu sehen ist; und
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf ein Brechungsgitter der vorliegenden Erfindung, das in einem dritten Aufbau zu sehen ist.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf einen Abschnitt eines Brechungsgitters 10 der vorliegenden Erfindung. Dargestellt sind alternierende Reihen von Elementen 12 und 14 aus einem elektrisch leitenden Material, die auf einem verformbaren Material 11 angeordnet sind. Die Reihen 12 sind durch einen Zwischenraum 16 von den Reihen 14 beabstandet. Der Abstand zwischen einer Reihe 14, die an einem Punkt am nächsten an der Reihe 12 beginnt, zum äußeren Rand dieser Reihe 12 ist hier als Zwischenraum 17 dargestellt. Die Wellenlänge eines Lichts 19, die von einem bestimmten Brechungsgitter 10 bei einem bestimmten Winkel des Einfalls und der Brechung ausgewählt wird, ist eine Funktion des Zwischenraums 17. Zur Vereinfachung der Beschreibung des abstimmbaren Beugungsgitters 10 der vorliegenden Erfindung ist Zwischenraum 16 dargestellt. Weiterhin ist anzumerken, daß die Wellenlänge von Licht 19, das ausgewählt wird, auch eine Funktion von Zwischenraum 16 ist, da Zwischenraum 16 eine Funktion von Zwischenraum 17 ist. Um eine Wellenlänge von Licht 19 auszuwählen, muß Zwischenraum 16 zwischen den Reihen 12 und 14 in einem bestimmten Bereich von Gitter 10 auf einem Weg, den auftreffendes Licht 19 durchquert, im wesentlichen gleich sein. Die Länge des Abschnitts, in dem Zwischenraum 16 im wesentlichen gleich sein muß, hängt vom Anteil der auszuwählenden Wellenlänge von Licht 19 ab, der zur Übertragung von Informationen erforderlich ist. Es ist anzumerken, daß Gitter 10 in verschiedene Abschnitt (nicht dargestellt) unterteilt werden kann, in denen Zwischenraum 16 unterschiedlich breit, jedoch in jedem speziellen Abschnitt gleich ist.
Es kann jedes beliebige elektrisch leitende Material zur Herstellung der Reihen 12 und 14 eingesetzt werden. Beispiele für diese Materialien sind Gold oder Polyacetylen. Das verformbare Material muß optisch durchlässig für die Wellenlängen von Licht 19 sein, die ausgewählt werden sollen. Beliebige verformbare Materialien, wie beispielsweise Polymere oder Elastomere, mit einem Brechungsindex n&sub1; können eingesetzt werden.
Brechungsgitter 10 kann abgestimmt werden, indem mit jeder beliebigen geeigneten Einrichtung eine positive Spannung an die Reihen 12 und 14 angelegt wird, indem eine negative Spannung an die Reihen 12 und 14 angelegt wird oder indem eine negative Spannung an die Reihen 12 und eine positive Spannung an die Reihen 14 (oder umgekehrt) angelegt wird. Wenn die Spannung an die Reihen 12 und 14 angelegt wird, bewirken die elektrostatischen Kräfte zwischen den Reihen 12 und 14, daß es zwischen jeder alternierenden Reihe 12 und 14 zu Abstoßung bzw. Anziehung kommt, so daß der Zwischenraum 16 zunimmt bzw. abnimmt.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts von Brechungsgitter 10, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, jedoch mit einem neuen Zwischenraum 16'. Fig. 2 veranschaulicht den Fall, in dem eine negative Spannung 20 an die Reihen 12 und 14 angelegt wird. Wenn die negative Spannung 20 an die Reihen 12 und 14 angelegt wird, bewirken die elektrostatischen Kräfte zwischen den Reihen 12 und 14, daß sich die alternierenden Reihen 12 und 14 abstoßen und so der Zwischenraum 16 auf einen neuen Zwischenraum 16' vergrößert wird. Der neue Zwischenraum 16' bricht eine andere wellenlänge von Licht als Zwischenraum 16. Durch Veränderung der anden Reihen 12 und 14 anliegenden Spannung verändert sich Zwischenraum 16, so daß, bei entsprechender Konstruktion der Reihen 12 und 14 und des Zwischenraums 16 Brechungsgitter 10 eingesetzt werden kann, um über ein Band von Wellenlängen von Licht 19 auf die gewiinschte Wellenlänge abgestimmt zu werden. Bei Veränderung der an den Reihen 12 und 14 anliegenden Spannungen können sich die Reihen 12 und 14 bewegen, da sie auf verformbarem Material 11 angeordnet sind. Brechungsgitter 10 kann des weiteren dazu dienen, Rauschen durch Abstimmung auf ein Minimum zu verringern, indem nur die gewünschten Wellenlängen von Licht ausgewählt werden.
Die Reihen 12 und 14 von Brechungsgitter 10 können mit jedem geeigneten Verfahren, das in der Technik bekannt ist, auf dem verformbarem Material 11 hergestellt werden. Die Reihen 12 und 14 können beispielsweise hergestellt werden, indem sie auf das verformbare Material 11 gegossen werden. Die Reihen 12 und 14 können auch hergestellt werden, indem ein elektrisch leitendes Material auf das verformbare Material 11 gesputtert oder aufgedampft wird und anschließend Teile des elektrisch leitenden Materials entfernt werden, so daß die Reihen 12 und 14 entstehen. Teile des elektrisch leitenden Materials können beispielsweise durch Ätzen oder durch lonenstrahlabtragen entfernt werden.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführung eines Brechungsgitters 10 der vorliegenden Erfindung. In allen Figuren werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Elemente, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, verwendet. Bei dieser Ausführung ist ein zweites verformbares Material 30 über den Reihen 12 und 14 ausgebildet. Das verformbare Material 30 kann das gleiche sein wie das verformbare Material 11 und den gleichen Brechungsindex n&sub1; aufweisen. Es kann jedoch vorteilhaft sein, wenn das verformbare Material 30 einen zweiten Brechungsindex n&sub2; aufweist. In diesem Fall würde das verformbare Material 11 eine bestimmte Wellenlänge von Licht 19 beispielsweise in einen Photodetektor 25 hineinkrümmen. Brechungsgitter 10 wird mit jeder beliebigen geeigneten Einrichtung auf Photodetektor 25 angeordnet. Brechungsgitter 10 kann durch eine Luftschicht (nicht dargestellt) von Photodetektor 25 getrennt sein. Vorzugsweise ist Brechungsgitter 10 in Photodetektor 25 oder andere Vorrichtungen integriert, mit denen Licht verarbeitet werden kann.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein Brechungsgitter 10, das einen ersten Aufbau hat. Zwischenraum 16 muß, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, in einem bestimmten Bereich von Brechungsgitter 10 auf einem weg, den auftreffendes Licht 19 durchquert, im wesentlichen gleich sein. Zwischenraum 16 kann also außerhalb des Weges, den auftreffendes Licht 19 durchquert, in einem bestimmten Bereich von Brechungsgitter 10 verschieden sein. D.h., daß eine unbegrenzte Anzahl von Stellungen möglich sind, solange Zwischenraum 16 in einem bestimmten Bereich von Brechungsgitter 10 auf dem Weg, den auftreffendes Licht 19 durchquert, gleich ist. Fig. 4 zeigt einen derartigen Aufbau. Es ist anzumerken, daß die Reihen 12 praktischerweise miteinander verbunden sind, so daß eine Einrichtung zum Anlegen einer positiven Spannung 21 ebenfalls praktisch ausgeführt ist. Die Reihen 14 sind auf gleiche Weise ausgebildet, jedoch liegt an ihnen eine negative Spannung 20 an. Bei dieser Ausführung kommt es, wenn die positive Spannung 21 und die negative Spannung 20 angelegt werden, zur gegenseitigen Anziehung der Reihen 12 und 14, so daß ein geringerer Zwischenraum 16' entsteht.
Fig. 5 zeigt einen zweiten Aufbau eines Brechungsgitters 10. Bei dieser Ausführung kommt es, wenn die positive Spannung 21 angelegt wird, zur gegenseitigen Abstoßung der Reihen 12 und 14, so daß ein größerer Zwischenraum 16' entsteht. Die Reihen 12 und 14 von Brechungsgitter 10 müssen so aufgebaut sein, daß die Beanspruchungen, Widerstände und Kapazitäten, die in Brechungsgitter 10 auftreten, berücksichtigt werden. Diese Parameter hängen von den Materialien ab, aus denen die Reihen 12 und 14 sowie die verformbare Schicht 11 bestehen. Die Reihen 12 und 14 sollten wünschenswerterweise so aufgebaut sein, daß, wenn die positive Spannung 21 angelegt wird, ein neuer Zwischenraum 16' zwischen den Reihen 12 und 14 in einem bestimmten Bereich von Brechungsgitter 10 nach wie vor der selbe ist. Fig. 5 zeigt ein Brechungsgitter 10, bei dem die Reihen 12 und 14 in einem Bereich von Brechungsgitter 10 eine abnehmende Länge aufweisen. Dieser Aufbau kann da von Vorteil sein, wo Widerstand und Kapazität gering sind.
Fig. 6 zeigt einen dritten Aufbau von Brechungsgitter 10. Es ist weiterhin anzumerken, daß der Zwischenraum 16 auf dem Weg, auf den auftreffendes Licht Brechungsgitter 10 durchquert, im wesentlichen gleichbleibend ausgeführt werden kann. Es sind viele andere Konstruktionen möglich, die hier nicht alle dargestellt werden können.
Mit der vorliegenden Erfindung ist, wie leicht zu ersehen ist, ein abstimmbares Brechungsgitter geschaffen worden. Das abstimmbare Brechungsgitter der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Auswahl unterschiedlicher Wellenlängen von Licht durch Veränderung der Spannung über alternierende Reihen eines Brechungsgitters. Auf diese Weise können große Mengen an Informationen mit einem kleinen, integralen, abstimmbaren Brechungsgitter übertragen und empfangen werden.

Claims

1. Abstimmbares Brechungsgitter (10), das umfaßt:

Elemente (12, 14) eines elektrisch leitenden Materials, die auf einem ersten verformbaren Material (11) in einer Reihe angeordnet sind, wobei das verformbare Material (11) für eine Reihe von Wellenlängen von Licht (19) durchlässig und entsprechend einem angelegten elektrischen Feld verformbar ist, wobei die Elemente (12, 14) des elektrischen leitenden Materials eine erste Wellenlänge von Licht (19) brechen; sowie

eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung (20, 21) an die Elemente (12, 14) des elektrisch leitenden Materials, so daß sich die Zwischenräume (16, 17) zwischen den Elementen (12, 14) ändern und das Brechungsgitter (10) eine zweite Wellenlänge von Licht (19) bricht.

2. Abstimmbares Brechungsgitter nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem elektrisch leitenden Material um ein reflektierendes oder durchlässiges Material handelt.

34 Abstimmbares Brechungsgitter nach Anspruch 1, das des weiteren einen Photodetektor (20) an das abstimmbare Brechungsgitter (10) angrenzend umfaßt.

4. Abstimmbares Brechungsgitter nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Anlegen einer Spannung (20, 21) eine Einrichtung zum Anlegen einer positiven (21) und einer negativen (20) Spannung an alternierende Elemente (12, 14) des elektrisch leitenden Materials umfaßt.

5. Abstimmbares Brechungsgitter nach Anspruch 1, das enthält:

ein zweites verformbares Material (30), das auf den Elementen (12, 14) des elektrisch leitenden Materials angeordnet ist, wobei das zweite verformbare Material (30) für ein Licht (19) mehrerer Wellenlängen durchlässig ist und einen Brechungsindex (n&sub2;) hat, der sich vom Brechungsindex (n&sub1;) des ersten verformbaren Materials unterscheidet.

6. Gitter nach Anspruch 1, wobei die Elemente (12, 14) eine erste (12) und eine zweite (14) Reihe von Elementen umfassen, wobei die Elemente (12, 14) jeder Reihe einen vorgegebenen Zwischenraum (17) haben und die Enden der Elemente (12, 14) fingerartig ineinandergreifen, so daß ein zweiter Zwischenraum (16) zwischen benachbarten Rändem von Elementen (12, 14) entsteht.

7. Gitter nach Anspruch 6, wobei die Enden der Elemente (12, 14) jeder Reihe, die von den fingerartig ineinandergreifenden Enden entfernt sind, durch eine gemeinsame entsprechende Potentialschiene verbunden sind.

8. Gitter nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Länge der einzelnen Elemente (12, 14) in einer Richtung entlang der Reihen abnimmt.

9. Gitter nach Anspruch 11 wobei die Elemente (12, 14) bogenförmig und konzentrisch aufgebaut sind und wobei ein Querschnitt des bogenförmigen und konzentrischen Aufbaus 7 die Reihe von Elementen (12, 14) bildet.