NL8302461A

NL8302461A - Geodetisch optisch element.

Info

Publication number: NL8302461A
Application number: NL8302461A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1983-07-11
Filing date: 1983-07-11
Publication date: 1985-02-01
Also published as: JPS6039606A; DE3470962D1; US4712856A; EP0132874A1; JPH0610686B2; EP0132874B1

Description

'· * EBN 10.378 1 N.V. Philips; Gloeilairpenfabrieken te Eindhoven.

Geodetisch optisch element.

De uitvinding heeft betrekking op een geodetisch optisch element bestaande uit een lichtgeleidende laag op een substraat dat een cppervlaktewelving vertoont, welke welving de functie van het element bepaalt.

5 Een dergelijk element kan gebruikt worden in optische tele- cormunicatiesystemen net lichtgeleidende glasvezels, bijvoorbeeld in een versterkerstation tussen twee vezeltrajecten of in de zendof ontvangststations aan het begin of einde van een glasvezelkabel.

Het bedoelde element kan deel uitmaken van een op één substraat ge-10 integreerd optisch systeem bestaande uit een lichtbron en een lichtgevoelige detector waartussen een of meer optische elementen net speciale optische functies aangebracht zijn. ET zijn verschillende optische functies die door geodetische optische elementen vervuld kunnen worden, zoals bundel-afbuiging, bundel-splitsing, reflectie 15 en afbeelding.

In het artikel: "Geodesie Conponents for Guided Wave Cptics" in: "Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik" (AEU) 34 no. 10, oct. 1980, pag. 385-393 zijn van verschillende geodetische elementen de geometrie en de werking beschreven. Bij de daar beschreven ontwerpen 20 van de optische elementen moeten relatief grote hoogteverschillen, in de orde van enkele irm's, in het substraat aangebracht worden. Nu is het erg moeilijk om dergelijk grote hoogteverschillen met perstechnieken of via etsen met de vereiste nauwkeurigheid aan te brengen.

Wil men geïntegreerde optische elementen of circuits voor een redelijke 25 prijs in grote aantallen kunnen vervaardigen, dan zal men toch van een dergelijke techniek gebruik moeten maken.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel een dusdanig ontwerp van een geodetisch optisch element te verschaffen, dat dit element via de goedkope ets- of pers technieken en met de vereiste nauwkeurigheid 30 vervaardigd kan worden. Het geodetisch optisch element volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, dat de cppervlaktewelving een golvend karakter heeft en derhalve een aantal hellingen bevat die afwisselend positief en negatief zijn.

8302461 EHN 10.738 2 • · *

De uitvinding berust op het inzicht dat het gegeven, dat een verdieping In het substraatoppervlak optisch hetzelfde effect heeft als een uitstulping buiten, dit oppervlak, gebruikt kan worden cm de maximale diepte of hoogte van een, een optische functie bepalende 5 welving of profiel aanzienlijk te reduceren.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een goedetisch optisch element volgens de uitvinding vertoont als verder kenmerk, dat de overgangen tussen de positieve en de negatieve hellingen afgerond zijn en dat de welving is ontstaan uit een kromte die ter plaatse van de 10 genoemde overgangen gedeelten heeft die evenwijdig zijn aan het vlakke gedeelte van het substraat.

Cpgemerkt wordt dat uit het genoemde artikel in: "AEU" 34, no. 10, oct. 1980, pag. 385-393 gesteld wordt dat de overgang van het verdiepte gedeelte naar het vlakke deel van het substraat geleide-15 lijk moet verlopen. In het in dat artikel beschreven element heeft echter de profielkrotrme een monotoon verloop en behoeft slechts één overgang vloeiend gemaakt te worden. Bovendien is deze profielkrcrane niet ontstaan uit een krortme met vlakke gedeelten.

'De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de 20 tekening. Daarin tonen: figuur 1 een bekend geodetisch optisch element in perspectief, figuur 2 een profielkronme van dit element, figuur 3 een profielkrcmme van een geodetisch optisch element volgens de uitvinding, 25 figuur 4 een profielkrortrne met vlakke gedeelten, figuur 5 een uit de profielkrcrane volgens fig. 4 verkregen geodetisch optisch element met afgeronde overgangen en figuur 6 een methode voor het vervaardigen van een geprofileerd substraat ten behoeve van een geodetisch optisch element.

30 De in figuur 1 weergegeven geodetische leis bestaat uit een substraat 1 van bijvoorbeeld een glas, een doorzichtige kunststof, een halfgeleidermateriaal of een kristal zoals Lithium-Niobaat. Het substraat vertoont een oneffenheid, in dit voorbeeld een rotatiesynme-trische verdieping 3, aangegeven met een aantal concentrische cirkels 4. 35 Figuur 2 toont de profielkronme 6 van deze oneffenheid in een vlak dat de rotatieas a omvat. Op het substraat is een dunne lichtgeleidende laag 2 gebracht, waarvan de dikte vror.j-multimode lichtgeleiding tussen ongeveer 3Ck,um en 75^um gelegen is' en ;voor monomode lichtgeleiding 8302461 , «· · EHN 10.738 3 ongeveer 1^um is.

Deze laag bestaat uit een transparant materiaal waarvan de brekingsindex hoger is dan die van het substraat. De lichtgeleidende laag is overal even dik en volgt derhalve het substraatprof iel. Omdat 5 de brekingsindex in het substraat groter is dan daarbuiten zal het grootste gedeelte van de stralingsenergie van een van links binnentredende bundel b in de lichtgeleidende laag opgesloten blijven.

Doordat ter plaatse van de verdieping in het substraat de vorm van de laag 2 verandert, verandert ook de richting van de randstralen van de 10 bundel b. De bundel is dan niet meer evenwijdig maar convergerend en wordt gefocusseerd in het punt F.

De sterkte van de geodetische lens wordt bepaald door de diepte d van de depressie: bij een kleine waarde van d is de lens zwak, terwijl bij een grotere waarde van d de lens sterker focusseert. Om de 15 in de praktijk gewenste lenssterkte te verkrijgen zal de diepte d toch al vlug enkele ma's moeten zijn. Cm geodetische optische elementen, of algemener geodetische optische circuits, in grote aantallen tegen aan aanvaardbare prijs te kunnen vervaardigen, wil men het prof iel in het substraat via persen of met behulp van etstechnieken aanbrengen.

20 Indien deze profielen relatief diep zijn is het erg moeilijk cm via persen of etsen de profielen met de gewenste nauwkeurigheid, in de orde van 3^um, aan te brengen.

Volgens de uitvinding wordt het relatief diepe profiel van een geodetisch optisch element dat een bepaalde optische functie moet 25 vervullen, vervangen door een profiel dat relatief ondiep is, zodat de goedkope ets- of perstechnieken gebruikt kunnen worden. De profiel-kromme van het thans voorgestelde profiel is niet meer monotoon, maar vertoont een golvend verloop, dat wil zeggen dat de profielkromte is samengesteld uit een aantal deelkranten, die afwisselend een positieve 30 en een negatieve helling hebben. Figuur 3 toont een dergelijke profiel-krcmte 7 van een geodetische lens die dezelfde werking heeft als de lens volgens figuur 1. Ter vergelijking is de profielkrorrne van laatstgenoemde lens in figuur 3 met een gestreepte krcrtme 6 aangegeven.

De kromte 7 is ontstaan door vanaf het substraat-oppervlak 35 8 eerst de oorspronkelijke kromte 6 te volgen totdat een bepaalde diepte bereikt is. Het volgende stuk van de kromte 6 wordt gespiegeld ten opzichte van de lijn 9, waarbij de lengte van dit stuk bij voorkeur zodanig gekozen wordt dat de gespiegelde van dit stuk tot aan het 8302461 I » * PHN 10.738 4 substraatoppervlak reikt. Bij het ontwerpen van het met de kromme 7 aangegeven profiel wordt gebruik gemaakt van het feit dat optisch gezien een depressie eenzelfde werking heeft als een uitstulping.

Iirmers een waarnemer die zich boven het in figuur 1 weergegeven 5 substraat bevindt zal een depressie waarnemen, terwijl hij wanner hij zich onder het substraat bevindt een uitstulping of een berg zal zien.

De in figuur 3 weergegeven profielkromme vertoont scherpe overgangen tussen de positieve en de negatieve hellingen, welke over-gangen lichtverstrooiing kunnen veroorzaken. Cm deze verstrooiing te 10 voorkomen kunnen de overgangen warden afgerond zoals ook de overgang van het verdiepte naar het vlakke deel van het substraat volgens figuur 2 afgerond is. Omdat deze afrondingen willekeurig zijn, dat wil zeggen geen verband hebben met de lensfunctie, moeten de gebieden van afronding zo klein mogelijk zijn opdat de afrondingen de lenswerking 15 niet te veel beïnvloeden. Volgens de uitvinding kunnen afrondingen over een groter gebied, welke afrondingen voor wat betreft verstrooi-ingsonderdrukking beter zijn, gerealiseerd worden door bij het ontwerpen van de lens rekening met deze afrondingen te houden. Bij een gegeven te realiseren functie wordt een monotone profielkrcmme berekend 2o waarin horizontale gedeelten voorkomen die op vloeiende wijze in de andere gedeelten van deze krctrme overlopen. Figuur 4 toont een dergelijke profielkromme 6' net horizontale gedeelten 10. Deze profielkrcnrte wordt in een zigzag-vormige kromme 7' omgezet pp dezelfde manier als de kromme 6 van figuur 2 in de kromme 7 van figuur 3 is omgezet.

25 De in figuur 5 getoonde kromme 7’ heeft aanzienlijke afrondingen terwijl de lenswerking toch dezelfde is als die van de kromte volgens figuur 2.

De geodetische optische elementen volgens de uitvinding kunnen op bekende wijze vervaardigd worden door eerst in een substraat 30 de gewenste profiel te maken en daarna, door opdampen of diffusie, de lichtgeleidende laag aan te brengen. De geprofileerde substraten kunnen behalve via de bekende ets- of perstechnieken ook verkregen worden met behulp van een zogenaamd replica-proces, omdat de profielen zo ondiep zijn. Daarbij wordt een matrijs afgedrukt in een week gemaakt 35 materiaal. Een dergelijk proces is in figuur 6 geïllustreerd.

Een plaat 10 wprdt bedekt met een voldoend dikke laag 11 van, in voldoend weke toestand gebrachte, kunststof die onder invloed van warmte, van ultra-violette straling of door afkoeling kan uit- 8302461 EHN 10.738 5 * harden. Vooral fotopolymeriseerbare lakken die onder invloed van ultra-violet licht uitharden zijn voor dit doel geschikt. In een matrijs 12 is een structuur 13 aangebracht die het omgekeerde is van het te vormen profiel, bijvoorbeeld het lensprofiel van figuur 3 of 5 figuur 5. Deze matrijs wordt, zoals met de pijlen 14 is aangegeven, in de kunststoflaag gedrukt. Daarna laat men de kunststof uitharden, bijvoorbeeld door te bestralen met ultraviolet licht door de plaat 10 of door de natrijs 12 heen, waarna de matrijs verwijderd wordt.

De uitvinding is toegelicht aan de hand van een geodetische 10 lens. Het zal duidelijk zijn dat ook bij andere geodetische elementen, bijvoorbeeld de bundelsplitser, de bundelafbuiger en de reflector die beschreven zijn in het genoemde artikel in: "SEU" 34, no. 10, oct. 1980, pag. 385-393, toegepast kan worden.

15 20 25 30 35 8302461

Claims

1. Geodetisch optisch element bestaande uit een lichtgeleidende laag op een substraat dat een oppervlakte-welving vertoont, welke welving de functie van het element bepaalt, met het kenmerk, dat de oppervlakte-welving een golvend karakter heeft en derhalve een aantal 5 hellingen bevat die afwisselend positief en negatief zijn.

2. Geodetisch optisch element volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de overgangen tussen de positieve en negatieve hellingen afgerond zijn, en dat de welving is ontstaan uit een krcnrae die ter plaatse van de genoemde overgangen gedeelten heeft die evenwijdig zijn 10 aan het vlakke gedeelte van het substraat. 15 20 25 30 35 8302461