SE516882C2 - Anordning för att reflektera ljus - Google Patents

Description

516 882 o | o v o : Q nu 2 med en kantyta av kopplaren. Slingan har företrädesvis en yttre kontur, som innefattar ett flertal linjära delar, och den kan också ha en inre kontur, som innefattar ett flertal linjära delar. Formen hos slingan kan t ex bildas genom att vika en remsa med enhetlig bredd minst två gånger, så att vikningama görs symmetriskt.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas i detalj såsom ej begränsande utföringsformer i samband med de bifogade ritningama, i vilka: - Fig. 1 är ett schematisk vy uppifrån, som åskådliggör principen hos en slingspegelstruk- tur, - Fig. 2 är en vy uppifrån av en slingspegel, som är utförd som en plan struktur på ett substrat, - Fig. 3 är en vy uppifrån av en alternativ utföringsform av en slingspegel, som är utförd som plan struktur, - Fig. 4a är en vy i större skala av slingvågledaren i fig. 2, som visar reflektionsvillko- ren, - Fig. 4b är en delsektion av slingvågledaren sedd i pilens A riktning i tig. 4a, som visar en utföringsforrn av slingans uppbyggnad, särskilt vid de reflekterande ytorna.

- Fig. 5 är en vy i större skala av slingvågledaren i ñg. 3, som visar reflektionsvillkoren, - Fig. 6 är en vy uppifrån av en slingspegel med en slinga integrerad i en kopplare och - Fig. 7 är en vy uppifrån av en alternativ utföringsfonn av en slingspegel med slinga integrerad i en kopplare.

BESKRIVNING Av FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I fig. l visas den grundläggande uppbyggnaden av en slingspegel. En slingspegel innefattar en 1x2-optisk kopplare 1, i det föredragna fallet en 1x2-MMI-(Multi Mode Interference)-vågledarkopplare. Kopplaren fungerar som effektdelare i lika delar och har en ingångsanslutning och två utgångsaiislutriingar. De båda utgångsanslutningarna är förbundna med varandra via en ljusvågledarslinga. MMI-anordningar beskrivs i t ex L.B.

Soldano och E.C.M. Pennings, "Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self- Imaging: Principles and Application", J. Lightwave Technol. Vol. 13(4), sid. 615-627, 1995 och den publicerade internationella patentansökningen WO 97/35220. Vågledaren 3 kan på vanligt sätt vara en optisk fiber men i den här betraktade utföringsformen är den utförd som en plan struktur, som skall användas tex i PLC:er (plana ljusvågskretsar, "Planar Lightwave Circuits").

Vågledaren 3 är då utförd som en remsa av ett första material, som är inbäddat i ett skikt av ett andra material med ett annat brytningsindex, varvid skiktet och remsan är framställda vid eller i ytan av ett substrat, huvudsakligen på samma sätt som elektroniska integrerade kretsar. Det andra materialet kan vara luft och då kan remsan framställas genom att etsa ett skikt, som har anbringats på substratets yta. Emellertid är vågledaren i det typiska fallet utförd som en rektangulär vågledare innefattande en kärna med rätvink- 516 882 3 ligt tvärsnitt framställd genom att etsa ett skikt med lämpligt brytningsindex och vidare innefattande ett undermantelskikt och ett övermantelskikt, varvid dessa olika skikt är utformade av t ex dopat kiseloxidmaterial eller polymerskikt.

De använda vågledarna, både för att leda ljus på ingångssidan av kopplaren 1 och i den reflekterade slingan, är företrädesvis alltid utformade att vara av typen singelmod eller monomod.

Den i tig. 1 visade slingan 3 är utformad som en krökt remsa med en jämn väg, som förenar anslutningspartierna vid kopplarens utgångar, varvid dessa anslutningspartier är parallella med varandra. De krökta jämna partiet hos slingan har över en väsentlig del formen av en del av en cirkel och har sålunda där konstant krökning. Den maximala krökningen måste alltid vara mindre än ett värde, som bestäms av skillnaden mellan vågledarens brytningsindex och brytningsindex hos de omgivande materialet, eftersom större krökningar och sålunda en mindre radie hos slingan skulle ge ej godtagbara för- luster. För en liten radie skulle en allt för stor andel av energin hos ljus, som fortplantas i den reflekterade slingan, läcka bort från slingan. Om vidare skillnaden mellan bryt- ningsindex n hos vågledaren och brytningsindex (no) hos det omgivande materialet är stort, får slingan en rimligt liten diameter. För en relativ brytningsindexskillnad av ett 1,5 % kan exempelvis diametern vara mindre än 4 mm. För mindre brytningsindexskillnader måste den cirkulära slingans struktur ha större diameter och kan i vissa fall ta alltför stor plats på ett substrat.

I stället kan vågledaren i slingan utformas att ha väsentligen polygonform, såsom åskådliggörs av de i vyerna uppifrån i tig. 2 och 3 visade utföringsformerna. Polygon- slingan 5 är också här av typ singelmod och innefattar ett krökt remsformat område, som har parallella och likadant utformade förbindningsoniråden, vilka är anslutna till kopp- larens l båda utgångar. Vågledaren 5 begränsas av en yttre konturlinje 7 och en inre konturlinje 9, vilka var och en är en ej sluten polygonlinje irmefattande ett flertal raka linjedelar. Start- och ändlinjedelarna hos varje polygonlinje 7, 9 är sålunda parallella med varandra och sträcker sig från kopplarens 1 utgångssida i rät vinkel mot denna. De båda konturlinjerna 7, 9 är liksom slingan i fig. 1 symmetriska kring en symmetrilinje, som sträcker sig från mittpunkten hos den linje, vilken förbinder kopplarens 1 utgångar med varandra, dvs kring kopplarens längsgående axel, när denna är en MMI-anordning.

I utformningen av slingvågledaren 5 enligt fig. 2 innefattar den yttre konturlinjen 7 hos vågledaren räta linjedelar med riktningar, som skiljer sig från varandra med 45° och sålunda bildar vinklarna 135° med varandra, vid de fyra hörn av de totalt tre räta lin- as jedelar, som erfordras för att förbinda de parallella start- och änddelama. Den inre kon- turlinjen 9 har endast totalt tre linjedelar, varvid en del förbinder start- och änddelama i en vinkel av 90°. Hörnen i den inre konturlinjen ligger symmetriskt i förhållande till de båda motsvarande hömen hos den yttre konturlinjen 7, varvid dessa båda hörn, som förbinder linjedelarna, är anslutna direkt till start- och änddelama. Fortplantning av ljus i 516 882 4 en sådan vågledare åskådliggörs i fig. 4a. Det framgår av fig. 4a, att för våglängden hos det använda ljuset skall materialet i vågledaren 3 ha ett sådant brytningsindex n i för- hållande till brytningsindex no hos det omgivande materialet, t ex luft, att ljus, som fort- plantas i vågledaren, totalreflekteras för alla infallsvinklar 1] större än omkring 45°, dvs praktiskt taget för alla infallsvinklar, som är större än en vinkel något mindre än 45°, se A. Stano, L. Faustini, C. Coriasso, D. Campi, C. Cacciatore, "OPTIMIZED WAVE- GUIDEINTEGRATED MIRRORS", Proc. ECIO°97 EWF3, Stockholm, 1997, för en detaljerad diskussion.

I fig. 4a och 4b visas också en utformning av slingvågledaren 5 innefattande skikt på ett substrat, ej visat. Vågledaren är uppbyggd av en undre mantel 11, ett kärn- eller vågledarskikt 13 och en övre mantel 15. Skikten, som bildar den undre manteln, vågle- darkärnan och den övre manteln, år etsade för att få den erfordrade formen. Vid slingans reflekterande ytor 17 fmns etsade rektangulära urtagningar eller tomrum 19, som har noggrant plana ytor vid vågledaren, varvid dessa plana ytor också år noggrant vinkelräta mot strukturens stora ytor.

Om totalreflektionsvillkoret inte kan uppfyllas i vågledarutforrrmingen enligt fig. 2 och 4a, kan en struktur, som erfordrar totalreflektion endast för alla infallsvinklar 17 större än något mer än 30° användas, såsom visas av utföringsformen i fig. 3. Hår in- nefattar den yttre konturlinjen 7 sju linjedelar, som är belägna i vinklar av 150° med varandra, vilket motsvarar villkoret, att en linjedel hos konturen har en riktning, som avviker med en vinkel av 30° från riktningen hos de linjedelar, vilka är förbundna med den betraktade linjära delen. Den inre konturlinjen 9 innefattar fem linjedelar, som har riktningar, vilka avviker från varandra med 60° eller är belägna i vinklar av 120° i för- hållande till varandra. Hömen hos den inre konturlinjen 9 är också här belägna symmet- riskt i förhållande till linjedelama hos den yttre konturlinjen, kring den linje, som passe- rar centralt genom en sådan del i rät vinkel. Fortplantningen av ljus i denna slingstruktur åskådliggörs i fig. 5. Vågledaren kan utföras så att den innefattar reflekterande ytor mot luft liksom i utföringsforrnen enligt fig. 4a genom att anordna urtagningar 19 från struk- turens yta.

Konturlinjema hos strukturerna i fig. 2 och 3 kan erhållas genom att vika en remsa av material med enhetlig bredd två respektive tre gånger. Detta kan lätt generaliseras till vikningar flera gånger säg n gånger. Då kommer den resulterande strukturen att innefatta en yttre konturlinje med 2n+1 linjedelar och inre konturlinje med n+l linjedelar. Lin- jedelarna hos den inre konturen har riktningar, som avviker från riktningarna hos de intilliggande linjedelarna med vinklar av 90°/n och linjedelarna hos den inre konturen har riktningar, som avviker med vinkeln 2-90/n från varandra. Det använda ljuset rnåste totalreflekteras vid gränsytan mellan materialet i vågledaren och det omgivande materialet för alla infallsvinklar omkring 90°/n eller större än något mer än 90°/n.

En förenklad reflekterande struktur kan också innefattas direkt i en MMI-kopplare, 516 882 n n o c u o u u: se fig. 6 och 7. MMI-kopplaren 21 är en plan struktur och innefattar ett tunt skikt av ett material med brytningsindex, som är anordnat att vara högre än brytningsindex hos det omgivande materialet. Skiktet har för en enkel kopplare rektangulär form och bildar huvuddelen 23 av den reflekterande strukturen. Den rektangulära huvuddelen 23 är an- ordnad, så att för ljus inkommande till skiktet centralt vid en kortsida, kommer två bilder av den inkommande ljusvågen att uppträda vid den motsatta kortsidan på ställen, som är symmetriskt belägna i förhållande till den rektangulära formens längdriktning. I fig. 6 och 7 uppträder dessa bilder vid linjen 25.

För att göra en sådan enkel struktur reflekterande är den rektangulära formen 23 kompletterad med en polygonform 27 vid nämnda motsatta kortsida. Polygonen har en fri polygonlinje 29, som är symmetrisk i förhållande till den rektangulära huvuddelens 23 längdriktning. Polygonforrnen är i fig. 6 en likbent triangel med en vinkel av 90° vid det fria hörnet. I utföringsforrnen enligt fig. 7 är den en symmetrisk parallelltrapets, som har sina sneda sidor belägna i riktningar, vilka avviker från riktningarna hos de långa sidorna av den rektangulära huvuddelen 23 med vinklar av 30°, dvs från längdriktningen. För lämpliga brytningsindexförhållanden kommer, såsom skisserats ovan, kommer ljus från de båda bilderna vid linjen 25 att reflekteras av de sneda sidoma hos den yttre polygon- forrnen 29, såsom visas i ñg. 6 och 7.

Claims (12)

15 20 25 30 35 516 882 o g u a 6 PATENT KRAV

1. Anordning för att reflektera ljusvågor, som fortplantas i en optisk vågledare, varvid anordningen innefattar en ljuseffektkopplare, som har en ingångsanslutning och minst två utgångsanslutningar och som uppdelar ljus, vilket inkommer på ingångsanslut- ningen, i minst två ljusandelar, varvid varje ljusandel avges på en av de minst tvâ ut- gångsanslutningarna, och som kombinerar ljus inkommande på de minst två utgångsan- slutningarna till kombinerat ljus, vilket avges på ingångsanslutningen, varvid anordningen vidare innefattar en slinga, som är förbunden med två av utgångsanslutningarna och leder ljus, som avges på var och en av dessa utgångsanslutningar, tillbaka till den andra av dessa utgångsarislutriingar, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen är en plan anord- ning uppbyggd på ett substrat, varvid kopplaren är en väsentligen rätvinklig platta vid eller i ytan hos substratet och har ett brytningsindex, som är anpassat till brytningsindex hos omgivande material och en anpassad storlek, så att en ingångsanslutning är utbildad vid en sida av den rektangulära plattan och minst två utgångsanslutningar är utformade vid en motsatt sida och slingan bildas av en plan vågledare vid substratets yta, som har anpassat brytningsindex och har en änddel vid en av utgångsanslutningarna och en änddel vid en annan av utgångsanslutningarna.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att kopplaren är en MMI- kopplare.

3. Anordning enligt något av krav 1- 2, k ä n n e t e c k n a d av att slingan är en remsa med jämna krökta konturer, varvid en huvuddel av slingan är utformad som en del av en cirkel.

4. Anordning enligt nägotav krav 1-2,kännetecknad av att slinganären remsa med polygonformade konturer, som innefattar endast raka linjedelar belägna i vinklar mot varandra.

5. Anordning enligt något av krav 1 - 2, kännetecknad av att slingan har en konvex polygonformad kontur, som innefattar endast raka linjedelar, vilka är belägna i vinklar mot varandra, varvid en av de räta linjedelarna är en storsida, som är direkt förbunden med den sida av den rektangulära plattan, vilken bildar kopplaren, vid vilken utgängsanslutningarna är utformade, varvid den konvexa polygonen är symmetrisk i förhållande till en rnittlinje genom den rektangulära plattan.

6. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att den rektangulära plattan, som bildar kopplaren, och den plana vågledaren, som bildar slingan, är integrerade i en plattenhet med likfonnigt brytningsindex.

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att plattenheten har en kon- tur, som motsvarar en rektangel med en likbent triangel vid en av sina sidor.

8. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att plattenheten har en kon- tur, som motsvarar en rektangel med en parallelltrapets vid en av sina sidor.

9. Anordning för att reflektera ljusvågor, som fortplantas i en optisk vågledare, 10 516 882 7 varvid anordningen innefattar en ljuseffektkopplare, som har en ingångsanslutning och minst två utgångsanslutningar, som uppdelar ljus, vilket inkommer på ingångsanslutning- en, i minst två ljusandelar, varvid varje ljusandel avges på en av de minst två utgångs- anslutningarria, och som kombinerar ljus, vilket inkommer på de minst två utgångsarislut- ningarna, till kombinerat ljus, vilket avges på ingångsanslutningen, varvid anordningen vidare innefattar en slinga, som är förbunden med två av utgångsanslutningarna och som leder ljus, vilket avges på var och en av dessa utgångsanslutningar, tillbaka till den andra av dessa utgångsanslutningar, k ä n n e t e c k n a d av att slingan är en plan vågledare vid eller i ytan av ett substrat med brytningsindex, som är anpassat till brytningsindex hos material, vilket omger den plana vâgledaren, och att slingan har formen av en remsa, som sträcker sig från en av utgångsanslutningarna till en annan av utgångsanslutníngarrla.

10. Anordning enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d av att remsan har jämna krökta konturer och en huvuddel av remsan är utformad som en del av en cirkel.

11. Anordning enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d av att remsan har polygon- formade konturer, som innefattar endast räta linjedelar belägna i vinklar i förhållande till varandra.

12. Anordning enligt något av krav 9 och 11, k ä n n e t e c k n a d av att rernsan har konturer, som motsvarar konturen hos en remsa, vilken har enhetlig bredd och är vikt minst en gång. » - » u o . en