DE2142263A1 - Lichtwellenkopplungsanordnung in Dunnfilra Lichtleiter - Google Patents

Description

WESTERN ELECTRIC COMPAlIY Incorporated KOGELNIK

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Lichtwellenkopplungsanordnung in Dünnfilm-Lichtleiter

Die Erfindung besieht sich auf eine Anordnung zum Einkoppeln von Licht in einen einander entgegengesetzte Flächen aufweisenden optischen Uellenleiterbauteil mit einem optischen Gitter, das sich längs des Wellenleiterbauteils in der Wellen-Fortpflanzungsrichtung erstreckt.

Die Eignung integrierter Schaltkreistechniken für optische Nachrichtenübertragungssysteme, optische Datenverarbeitung und andere optische Systeme wurde in großem Umfang untersucht. Die Vorteile von im optischen Frequenzbereich arbeitenden integrierten Schaltkreisen sind ähnlich denjenigen von Anordnungen dieser Art bei niedrigen Frequenzen. Miniaturisierung, Minimalisierung der Wirkung von Umgebungseinflüssen, z.B. Vibration und thermische Einflüsse, und Reproduzierbarkeit bei niedrigem Kostenaufwand können mit integrierten optischen Schaltungen realisiert werden.

Eine Grundbaueinheit für integrierte optische Schaltungen ist der Dünnfilm-Lichtleiter, wobei der Film in der Regel eine Dicke von angenähert der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes hat. Auf Grund der geringen Dicke des Films wird es jedoch sehr schwlericj, box angemessenem Wirkungsgrad Licht

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in den Film einzuführen bsw. -aukoppeln.

Eine Anordnung, welche ein innen reflektierendes Prisma s Einkoppeln von Lichtwellen in den Dünnfilm durch eine Ilauptoberfläche des Filmes vorsah, wurde bereits vorgeschlagen. Die Prismeneinkopplung hat sich als bei weitem wirksamer erwiesen als bekannte Anordnungen, bei denen beispielsv/eise das Licht durch ein Ende des Lichtleiters eingekoppelt wurde. Andererseits ist die Prismenanordnung relativ raumaufwendig und kommt daher einer Miniaturisierung des Systems wenig entgegen. Daher wird eine Anordnung angestrebt, v/elche zu Einsparungen in der Baugröße führt und einen hohen Kopplungswirkungsgrad gewährleistet. Es wurde auch bereits eine Anordnung vorgeschlagen, bei der Licht in einen optischen Wellenleiter durch ein optisches Gitter eingekoppelt wird, das längs einer Oberfläche des Wellenleiters angeordnet ist. Der Grad der Kopplung kann durch Änderung des Einfallwinkels des einzukoppelnden Lichts geändert v/erden.

Allgemein ausgedrückt, sollte eine wirksame Gitter-Kopplungsanordnung gewissen Grundforderuncen genügen, wobei der Gesamtwirkungsgrad der Kopplungsanordnung von dem Grad abhängig ist, bis' au dem diese Grundforderungen erfüllt sind. Eines dieser Erfordernisse aur Erzielung eines hohen VJirkungsgrades ist die Verwendung von verlustlosen und streufreien Materialien; dieses Erfordernis kann durch die Verwendung von dielektrischen-

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odor Phasengittern erfüllt werden. Ein weiteres Erfordernis besteht darin, unerwünschte Gitterordnungen zu unterdrücken. Zu diesem Zweck können beispielsweise extrem feine Gitter verwendet v/erden, wobei die Regel gilt, daß die genannte Forderung umso besser erfüllt wird, je größer die Ansahl der Gitterlinien pro mm des Gitters ist. Bei konventionellen Gitter-IlerStellungsmethoden sind jedoch der Zahl der Linien Grenzen gcsotst. Schließlich muß eine genügend tiefe räumliche Modulation der optischen Phasenverschiebung vorhanden sein, um eine starke Kopplung bei relativ kurzen Kopplungslängen hervorzurufen.

Das Problem der Schaffung einer wirksameren Gitter-Kopplungsanordnung wird erfindungsgemäß durch ein Bragg-sches Gitter gelöst, dessen Dicke multipliziert mit der "wellenlänge des Lichtes gleich oder größer als die Gitterperiode ist.

In der Zeichnung seigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 2 ein Vektor-Diagramm nur Darstellung gewisser Besiehungen der Anordnung gemäß Fig. 1.

Bei einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung wird eine Schicht aus einem Material, wie eine dichromatische Gelatine, direkt auf einen Dünnfilm-Uellenleiter abgelagert, und ein dickes Beugungsgitter mit mehreren Bragg¹sehen Ebenen,

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die zur Wellenleiteroberfläche unter einem Winkel orientiert sind, wird holographisch in der Gelatine ausgebildet. Unter einem dicken Gitter versteht man ein solches Gitter, dessen Dicke mal der Lichtwellenlänge gleich oder größer als die Gitterperiode ist. Auf das Gitter bei oder nahe dem Bragg¹sehen Winkel einfallendes Licht wird in den X-JeI 1 enl ei t er mit einem hohen Wirkungsgrad über eine relativ kurze Kopplungslänge und bei im wesentlichen vollständiger Unterdrückung unerwünschter Schwingungsformen eingekoppelt. Daher ist der größte Teil der Lichtenergie in der Schwingungsform enthalten, welche in den Wellenleiter eingekoppelt wird. Das Licht v/ird als bei dem oder nahe dem Bragg¹sehen Winkel angesehen, wenn das auf die Bragg·sehen Ebenen fallende Licht so ist, daß sich maximale Beugung von den Ebenen ergibt, und dies ist eine Funktion sowohl der Wellenlänge als auch dos Einfallwinkels.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der neuen Licht—Kopplungsanordnung gezeigt.

Ein optisches Wellenleiterbauteil aus geeignetem Material, z.B. aus Glas, wird auf einer Unterlage 12 aus einem Material, wie z.B. Plexiglas, durch Aufsprühen oder andere Ablagerungstechniken niedergeschlagen. Ein Gitterkoppler 13 aus geeignetem holographischen Material, z.B. diChromatiscner Gelatine, wird direkt auf den Film 11 aufgebracht. Das Material des Gitters 13 wird so ausgewählt, daß sein Brechungsindex η die

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Bedingung erfüllt

•n_f > n_g (1)

wobei n^ der Brechungsindex des Materials des lichtleitenden Films oder optischen Wellenleiterbauteils 11 ist.

Das Gitter 13 kann durch holographische Methoden gebildet v/erden, welche im folgenden noch genauer erläutert werden, und kann mehrere Interferenzebenen bzw. Stroifenebenen 14 mit einem Abstand Λ und einer Orientierung unter einem Winkel 0 zur Oberfläche des Bauteils 13 aufweisen. Das so geformte Gitter ist durch einen Gittervektor K charakterisiert, der senkrecht su den Streifenebenen 14 orientiert ist und eine Größe hat von

K = j»· ■ (2)

In den Film 11 einzukoppelndes Licht kann von einer in der in Fig. 1 gezeigten V/eise unter einem Winkel θ sur vertikalen angeordneten geeigneten Quelle 16 in das Gitter 13 gerichtet v/erden. Das Licht hat einen freien Raumausbreitungsvektor, der gegeben ist durch

k = iar Ο)

° λ

wobei λ die Wellenlänge des Lichts im freien Raum ist. Innerhalb des Gittern 13 wird der Ausbreitungsvektor des Lichts

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Die Streifenebenen 14 oder, genauer gesagt, die Bragg¹sehen Ebenen, welche in Wirklichkeit Gebiete gleichen Brechungsindexes eines im Material des Gitters 13 sich räumlich ändernden Brechungsindex sind, erzeugen eine Llchtbeugung, welche zu einer gebeugten Welle mit einem Ausbreitungsvektor führt, der durch (Jc + K) gegeben ist. Um eine Kopplung zu erreichen, muß dieser gebeugte Lichtausbreitungsvektor eine Komponente in der ^-Richtung (Fig. 1) haben, welche der Fortpflanzungskonstante ß der gewünschten FiIm-Schwingungsform angepaßt ist,

—g vw

Wenn das Licht von der Quelle 16 bei oder nahe dem Bragg'sehen Winkel einfällt, d.h. wenn

g ο

wobei θ der Einfallwinkel bezüglich der Vertikalen innerhalb des Gitters 13 ist, wird nahezu das gesamte einfallende Licht in einer Beugungsordnung gebeugt, während die anderen Ordnungen im wesentlichen vollständig unterdrückt v/erden· Leider können die Bragg¹sehe Bedingung und die Kopplungsbedingung, gegeben durch die Gleichungen (6) bzw. (5), für denselben Einfallwinkel des Lichts nicht gleichzeitig erfüllt v/erden.

Fig. 2 ist ein Vektor-Diagramm des Bragg¹sch^n Kopplers gemäß Fig. 1. Der Kreis mit dem Radius η k ist der geometrische Ort von k -Vektoren für unterschiedliche Vierte des Einfallwinkels θ . Die in einem Abstand ß von der s-Achse verlaufende

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vertikale Gerade ist die Anpaßlinie, d.h. die Linie, welche Phasenanpassung des Lichts mit einem Fortpflanzungsmoden des Wellenleiters 11 definiert» Phasenanpassung tritt auf, wenn die Gleichung (5) erfüllt ist, was bedeutet, daß die Vektorsunu.ie (k _t + K) auf der vertikalen Anpaß-Linie endet. Andererseltr ergibt sich aus der Gleichung (6), daß die Bragg¹sehe Bedingung erfüllt ist, wenn die Vektorsumme (je + K) auf dem η k -Kreis endet. Aus Fig. 2 wird klar, daß die Bragg¹sehe Bedingung und die Phasen-Anpaßbedingung nicht zusammen durch denselben Einfallwinkel erfüllt werden können. Es kann jedoch gezeigt werden, daß eine minimale mögliche Differenz ΔΘ zwischen dem Bragg*sehen Winkel und dem Phasen-Anpassungswin-. kcl besteht, Vielehe angenähert

wobei angenommen viird, daß der ¹Verstimmungs"-Winkel klein ist, und daß

ß«n_rk (B)

χ ο

Typisch ist der "Verstimmungs"-Winkel nur einige wenige Bogengrade. Um die Vorteile der Bragg'sehen Effekte auszunutzen, sollte der Anpaßwirikel so nahe wie möglich am Bragg' sehen Winkel liegen, und vorzugsweise, obwohl nicht notwendigerweise, innerhalb der Halbvjertsbreite des Bragg'sehen Übertragungsbereichs (half power width of the Bragg response), die angenähert

/π ist, \-jobei g die Dicke des Gitters 13 ist. Es kann daher gesagt werden, daß die Bragg¹sehe Bedingung gemäß Gleichung (6)

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innerhalb der Grenzen der Gleichungen (7) und (8) für den wirksamsten Betrieb der Kopplungsanordnung angenähert erfüllt ist.

Bei einer Ausführungsform der Kopplungsanordnung gemäß Fig. 1, die für eine optische Wellenlänge von 6 328 A vorgesehen ist, beträgt der optimale Wert für den Winkel 0 bei einem zur Oberfläche des Kopplers senkrechten Einfallwinkel (Θ = 0°) angenähert 45 , und der Optimalwert von Λ angenähert 0,25um (4 000 Linien/mm). Dieses Streifen- bzw. Linienmuster wird holographisch in dichromatischer (dichromated) Gelatibe, z.B. durch Belichten der sensitisierten Gelatine, welche zuvor auf dem lichtleitenden Film durch geeignete M'ethoden niedergeschlagen wurde, mit zwei kollimierten Lichtstrahlen einer Wellenlänge von 4 416 A erzeugt. Die Lichtstrahlen werden unter unterschiedlichen Winkeln in die Gelatine eingeführt, um ein Interferenzmuster in der Gelatine zu erzeugen, welches die oben angegebenen Bedingungen erfüllt. Die Gelatineschicht ist beim typischen Ausführungsbeispiel 4pm dick, und der lichtleitende Film hat vorzugsweise eine Dicke von 0,3pm mit einem Brechungsindex von n_f = 1,62. Es können auch andere Methoden, z.B. flüssige Metalle, zur Erzeugung eines dicken Bragg*s-chen Gitters benutzt werden. Holographische Methoden gehören jedoch bei dem gegenwärtigen Stand der Technik zu den für die Praxis zweckmäßigsten Wegen der Herstellung solcher Gitter.

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• Bei einer solchen Anordnung wird die Kopplung entweder durch Transmission durch das Gitter (Fig. 1) oder durch Reflektion am Gitter erzeugt. In dem zuletzt genannten Fall wird das einzukoppelnde Licht durch die Unterlagenseite des Kopplers eingeführt. Dabei ergibt sich ein gewisser Lichtverlust auf Grund des weniger perfekten Transmissionsgrades des Substrats und des Films. Bei optimalen Einfallwinkeln und Strahlcharakteristiken, z.B. Strahldurchmesser, kann 70 % oder mehr des einfallenden Lichts in den Lichtleiter eingekoppelt werden, itfobei ein Gitter angenähert 5 mm lang ist.

Wegen der Unterschiede in den Brechungsindizes des Gitters und des Wellenleiters tritt das Licht vom Gitter nicht direkt in den Wellenleiter ein. Am Übergang zwischen dem Wellenleiter und dem Gitter entsteht ein Dämpfungstyp des Wellenleitermoden, an welchen die Horxsontalkomponente des gebeugten Lichts bezüglich der Fortpflanzungskonstanten angepaßt ist und daher mit diesem zur Erzeugung einer zunehmenden bzw. größer werdenden Welle im Wellenleiter in Wechselwirkung tritt. Da es eine kumulative Phasenverschiebungsmodulation des Lichts im Bragg¹sehen Koppler gibt, wird eine starke Kopplung über eine relativ kurze Kopplungslänge erreicht.

Die bisherige Beschreibung behandelte den Bragg¹sehen Typ eines dicken Hologramm-Kopplers. Holographische Methoden machon es auch möglich, Beugungsgitter mit einer sehr großen Zahl von Linien oder Streifen in einer vorgegebenen Länge zu

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erzeugen, die erheblich größer als die mit koventionellen Atzmethoden erzielbare Zahl der Linien ist. Diese führt zu einem solch großen Beugungswinkel, daß sich nur eine Beugungsordnung ausbreiten kann, x^ährend alle anderen Ordnungen unterdrückt werden. Dieser große Beugungswinkel ergibt einen Dünnfilm-Wellenleitermoden, der sich in einer zur Einfallrichtung des Lichts entgegengesetzten Richtung ausbreitet. Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 umfaßt ein dickes Bragg'sches Gitter, das auf einer Oberfläche des optischen Wellenleiters niedergeschlagen ist. Es ist möglich, daß das Bragg¹sehe Gitter in den optischen Wellenleiter selbst einbezogen wird, obwohl eine solche Ausführungsform von der Verv/endung unterschiedlicher Techniken und Materialien abhängig ist. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind jedoch in gleicher Weise auch auf eine solche Anordnung anv/endbar.

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Claims (5)

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   Patentansprüche

   fly Lichtwellenkopplungsanordnung mit einem einander entgegengesetzte Flächen aufweisenden optischen Wellenleiterbauteil und einem optischen Gitter, das sich längs des Wellenleiterbauteils in der Wellen-Fortpflanzungsrichtung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter ein Bragg*sches Gitter ist, dessen Dicke multipliziert mit der Wellenlänge des Lichts gleich oder größer als die Gitterperiode ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Bragg'sehe Gitter aus holographischem Material besteht, in dem im wesentlichen mit gleichem Abstand voneinander angeordnete Streifenflächen vorhanden sind, die unter einem Winkel zu einer Oberfläche des Wellenleiterbauteils orientiert sind.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennz.eichnet , daß der Brechungsindex des Wellenleiterbauteils größer als der Brechungsindex des Gittermaterials ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das holographische Material di~; chromate Gelatine ist·

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5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das holographische Material mehrere Streifenebenen mit einem Abstand Λ und einer Orientie-. rung unter einem Winkel 0 zu einer Oberfläche des Gitters aufweint, und daß in das Gitter einzukoppelndes Licht mit einer Wellenlänge X auf das Gitter unter einem Winkel gerichtet ist, der angenähert durch die Besiehung

   cos (0 - θj = ^K

   g' 2 K

   -* ng ο

   definiert ist, wobei Q der Winkel des Lichts relativ zur Normalen auf die Oberfläche des Gitters, K der Gittervektor gemäß der Definition

   K = -|r und

   K der freie Raumausbreitungsvektor des Lichts entsprechend der Definition

   κ =

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