DE3007180A1

DE3007180A1 - Optische kopplungsanordnung

Info

Publication number: DE3007180A1
Application number: DE19803007180
Authority: DE
Inventors: Gregory L Tangonan
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1979-03-05
Filing date: 1980-02-26
Publication date: 1980-09-11
Also published as: JPS55149908A; FR2451045A1; US4262995A; DE3007180C2; FR2451045B1; GB2044950B; GB2044950A; JPH0321881B2

Description

Anmelderin: Stuttgart, d. 25.Febr.1980

Hughes Aircraft Company P 3817 X/Bn Centinela Avenue and Teale Street
Culver City, California, U.S.A.

Vertreter:

Kohler-S chwindling-Späth
Pat ent anwälte
Hohentwielstr. /f1
7000 Stuttgart - 1

Optische Kopplungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine optische Kopplungsanordnung, insbesondere für Lichtleitfasern, mit einem optischen Koppler mit einem Substrat aus einem optischen Material und mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche, zwischen denen sich eine Eingangs- und eine Endebene erstrecken.

In Multimod-Fiber-optischen Systemen werden Koppler benutzt, um beispielsweise Daten von einer einzigen Quelle, wie beispielsweise einem Computer, mittels optischer Fasern parallel zu verteilen an eine Vielzahl von Endpunkten oder Ausgabestellen, oder um sie von einer Vielzahl von Endpunkten zu einer einzigen Quelle zu führen.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte optische Koppelanordnung zu schaffen, die sich insbesondere für solche Lichtleitsysteme mit Lichtleitfasern eignet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch, daß mehrere zueinander einen Abstand aufweisende optische Kanalwellenleiter benachbart der ersten Hauptoberfl äche vorgesehen sind, die sich bis zur Eingangsebene erstrecken, daß mehrere keilförmige Wellenübertragungsabschnitte vorgesehen sind, von denen jeder einstückig an einen Kanalwellenleiter anschließt zur Verbindung eines angrenzenden Wellenübertragungsabschnittes mit einem gemeinsamen Scheitelbereich zur Bildung einer VieIfach-Konfiguration hornförmiger, Seite an Seite befindlicher Abschnitte, daß ein Wellenmischbereich am Ende der Wellenübertr^ingsabschnitte einstückig anschließt, der vertikal dieselbe Erstreckung aufweist und bis oder nahezu bis zur Endebene reicht, und daß Reflexions- oder Transmissionsmittel an die Endebene angrenzend angeordnet sind zur Transmission oder Reflexion von Licht, das sich durch die Wellenmischregion ausbreitet, wobei die keilförmige Geometrie der Wellenübertragungsabschnitte die optische Kopplungswirkung zwischen den Kanalwellenleitern und dem Wellenmischbereich steigert.

Die reflektierenden oder tracBmittierenden Mittel können eine vollständig transmittierende Endebene des Substrates aus optischem Material oder auch ein völlig reflektierender Belag sein, ebenso wie ein teile transmittierender und teils reflektierender Belag dieser Endebene.

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*^/m

AD

Die Erfindung wird anschließend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 a eine vergrößerte isometrische Ansicht eines planaren optischen Kopplers,

Fig. 1 b einen Querschnitt nach der Linie b - b von Fig. 1 a,

Fig. 2 a eine Draufsicht auf die obere Hauptoberfläche des optischen Kopplers von Fig. 1 a in Kombination mit einer Mehrzahl von optischen ' Fasereingangsdatenleitungen, die einer Endoberfläche des Kopplers benachbart sind, unter Darstellung der reflektiven Betriebsart der optischen Kopplung,

Fig. 2 b einen vergrößerten Querschnitt eines optischen Fiber- oder Fasereingangs von Fig. 2 a mit einer V-Nut-förmigen Tragstruktur hierzu,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen anderen planaren optischen Koppler mit einer Mehrzahl von optischen Eingangsdatenübertragungsfasern und einer Mehrzahl von optischen Ausgangsdatenübertragungsfasern, unter Darstellung der teils transmissiven und teils reffektiven Betriebsart der optischen Kopplung, und

Fig. h eine Ansicht einer vollständig transmissiven planaren optischen Koppler-Anordnung mit einer Vielzahl von optischen Eingangs- und Ausgangsdatenübertragungsfasern.

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Der in Fig. 1 gezeigte reflektive planare optische Koppler umfaßt ein Natronglasscheibchen oder Substrat mit den typischen Abmessungen von 2 mm Dicke, 2 cm Breite und 12 cm Länge, Das Substrat oder Scheibchen 10 ist handelsüblich und kann beispielsweise von der Firma Corning Glass Works in Corning, New York, bezogen werden.

Das Glassubstrat 10 wird maskiert und dann nach einem der zu beschreibenden Verfahren behandelt (die aber nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind), wodurch eine Mehrzahl von einen gegenseitigen Abstand aufweisenden optische Kanalwellenleiterabschnitte 12, 1*t, 16, 18, 20 und 22 definiert werden, die sich, wie dargestellt, zur End- oder Eingangsebene Zk des Substrates 10 erstrecken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Kanalwellenleiterbereiche 12, 1 Zf, 16, 18, und 22 ionengetauschte Bereiche, die in der dargestellten Geometrie durch ein Verfahren definiert werden, bei dem Lithiumionen substituiert werden für Natriumionen im Glassubstrat 10 zur Bildung dieser Bereiche mit einer etwa halbelliptischen Querschnittsgeometrie, die sich über eine gewählte, vorbestimmte Distanz entlang der Längsrichtung des Substrates 10 erstrecken.

Die optischen Kanalwellenleiterabschnitte 12, 1/+, 16, 18, 20 und 22 sind, wie dargestellt, einstückig mit einer Mehrzahl von verbindenden, keilförmigen, hornartigen Wellenübertragungsabschnitten 26, 28, 30, 3Z, 3k und 36; diese letztgenannten WellenÜbertragungsabschnitte sind ebenso wie ein zentraler, gemeinsamer Wellenmischabschnitt 3^ einstückig miteinander und einstückig mit den optischen Kanalwellenleiterabschnitten.

♦/.

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BAD

/r-

Alle diese Abschnitte werden gleichzeitig bis zu einer Tiefe von etwa 100 Jim unter die obere oder erste Hauptoberfläche 40 des Substrates 10 gebildet unter Verwendung des zuvor erwähnten Lithiumsubstitutions-Ionenaustauschverfahrens. Während dieses Verfahrens sind die trennenden Zwischenbereiche 42, 44, 46, 80, 50, 52 und 54 in geeigneter Weise maskiert, wozu bekannte fotolithographische Maskier- und Ä'tztechniken verwendet werden, damit die letzterwähnten trennenden Zwischenbereiche von dem Ionenaustauschverfahren unberührt bleiben· Die maximale. Breite der trennenden Zwischenbereiche 42, 44, 46, 48, 50, 52 und 54 ist unkritisch; dagegen beträgt die Breite der optischen Kanalwellenleiterabschnitte 12 usw. bevorzugt etwa 65 ^m oder sie weisen die notwendige Breite auf, um mit dem Leitungsdurchmesser der optischen Faser übereinzustimmen, die mit dieser Anordnung zusammen verwendet wird.

Die entfernten Kanten aller hornförmigen Wellenübertragungsabschnitte 26 usw, verlaufen unter einem Winkel θ mit Bezug zur Längsachse (Schnittlinie 56) der Struktur; der Winkel θ liegt vorzugsweise zwischen 1° und 4° bei einer Wellenleiterstruktur mit einer numerischen Apertur von 0,2, um eine optimale optische Übertragung und hochwirksame Kopplung innerhalb der Struktur zu erhalten. Es ist theoretisch nachgewiesen worden, daß der Keilwinkel θ kleiner sein sollte als etwa 1/4 des maximalen Leitungsausbreitungswinkels (das ist der Winkel, unter dem die Strahlen sich bezüglich der optischen Kanalrichtung ausbreiten), um Gesamtkopplungsverluste zu erhalten, die kleiner sind als diejenigen einer üblichen Mischstabanordnung.

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BAD ORiG/NAL

Eine dünne optisch reflektierende Schicht 58, üblicherweise Silber oder Gold, ist am anderen Ende 60 des Glassubstrates 10 abgeschieden unter Verwendung üblicher Metallaufdampftechniken· Alternativ hierzu kann die optisch reflektierende· Schicht 58 aus einem Stapel mehrerer Filme eines ausgewählten dielektrischen Materials, wie CaF₂ oder SrF₂, bestehen, die durch bekannte Aufdampfverfahren zu einer Stapeldicke von 1 bis 2um aufgetragen sind. Tatsächlich kann die reflektierende Oberfläche aus einer ganzen Reihe von Materialien gebildet sein.

Ein Ionenaustauschverfahren, von dem sich herausgestellt hat, daß es besonders geeignet ist zur Herstellung der optischen Koppler nach Fig. 1 a ist in einer Veröffentlichung von Chartier u.a. beschrieben im Electronic Letters, Band 13, Seite 763 (1977). Bei Verwendung des Verfahrens nach Chartier u.a. wurde der Natronglasstreifen 10 mit einer Aluminiummaske der angezeigten Geometrie versehen, die zwischen 1 und 2 /im dick war und die Grenzen der optischen Kanalwellenleiterabschnitte 12 usw., der hornartigen, keilförmigen Wellenübertragungsabschnitte 26 usw. und auch des Wellenmischbereiches 38 definierte. Das maskierte Substrat 10 wurde dann etwa 30 Minuten lang über einer eutektischen. Mischung von Li₂SO. und K₂SO^ aufgehängt und in einer Sauerstoffatmosphäre erwärmt. Danach wurde das Substrat 10 in diese eutektische Mischung eingetaucht und darin etwa 20 Minuten lang gehalten ehe darauf die Entfernung hieraus und ein Aufhängen über der Mischung für weitere 10 Minuten erfolgte zur Minimierung des thermischen Schocks.

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Danach wurde dann die Aluminiummaske, die nicht dargestellt ist, dadurch entfernt, daß das Substrat 10 in eine heiße 6-Mol-Lösung von Salzsäure (HCl) getaucht wurde. Durch dieses Verfahren wurden Planarwellenleiter von etwa 100 Jim Dicke gebildet durch Austausch, von Lithiumionen aus der eutektischen Mischung gegen Natriumionen im ursprünglichen Natronglassubstrat 10. Es können jedoch auch andere ausgewählte Lithium- und Kaliumsalze, wie LiCl und KCl, verwendet werden anstelle von LipSO, und K^SO. gemäß dem Verfahren von Chartier u.a.« Außerdem können durch dieses Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung Wellenleiter mit Dicken im Bereich von 20 bis 200 ^um hergestellt werden.

Im Betrieb kann ein optisches Signal von einer optischen Faser (die noch beschrieben wird) in einen der optischen Kanalwellenleiterabschnitte 12 usw. eingekoppelt werden, wo es sich vom Kanalwellenleiterabschnitt 12 über den hornförmigen Wellenübertragungsabschnitt 26 usw. in den Wellenmischabschnitt 38 ausbreitet. Dieses optische Signal erreicht den Metallreflektor 58, von wo es zurückreflektiert wird in jeden der benachbarten Wellenübertragungsabschnitte 26 usw. und dann in den benachbarten Kanalwellenleiterbereich 12 usw.. So wird in dieser reflektierenden Betriebsweise der optischen Datenübertragung ein Einzeleingangssignal, das dem Eingangskanalwellenleiter 12 zugeführt wird, verteilt in eine Mehrzahl von Parallelausgangskanalwellenleiter 12, H, 16, 18, 20 und 22. Es können selbstverständlich, wie es nachher noch mehr im einzelnen im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen

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BAD OFHGINAL

erläutert wird, optische Eingangssignale jedem der Kanalwellenleiterabschnitte 12, 1 if, 16, 18, 20 und 22 zugeführt und im Wellenmischabschnitt 38 gemischt werden, von wo sie sich in die anderen optischen Signalverarbeitungsstrukturen ausbreiten· Bei dieser letzteren alternativen Ausführungsform kann die reflektierende Schicht 58 am anderen Ende 60 des Substrates 10 ganz oder teilweise entfernt oder modifiziert werden, um ein. bestimmtes Maß an Steuerung der gemischten, den Wellenmischabschnitt 38 verlassenden Signale zu erhalten·

Eines der einzigartigen neuen Merkmale des planaren optischen Kopplers in allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen liegt darin, daß die bedeutenden Pakkungs- und BrechungsVerluste der bekannten optischen Koppler vermieden werden· Durch optimale Wahl des Keilwinkels θ der hornförmigen Wellenübertragungsabschnitte wird die Ausbreitung des Lichtes durch die Wellenübertragungsabschnitte optimiert sowohl durch Steuerung der Lichtexpansion von den Kanalwellenleiterabschnitten in den Mischabschnitt als auch durch wirksames Sammeln allen reflektierten Lichtes zurück durch den Mischabschnitt und schließlich zu den Wellenleiterabschnitten· Durch die einzigartige, neue Konfiguration der vorliegenden Anordnung erfolgt das Eindringen und das Austreten von Licht in bzw· aus der Anordnung allein durch die Kanalwellenleiterabschnitte, die präzise auf den Kern der externen optischen Fasern ausgerichtet sind. Dadurch werden Verluste vermieden, die sonst auftreten, wenn Licht in anderen als den Kernbereichen auf optische Pasern auftrifft·

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Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung ein Mittel geschaffen zum Erreichen einer exakten Einstellung zwischen den externen optischen Fasern und den Kanalwellenleiterabschnitten, indem nämlich ein Substrat mit V-Nuten verwendet wird, die an vorbestimmten Stellen eingearbeitet sind. Außerdem kann auch die Länge des Wellenmischabschnittes geändert werden, um optische Ausgangsleistungen verschiedener Größe an verschiedenen Ausgangskanälen mit abgestuften Ausgangssignalen zu erhalten·

Schließlich bietet die erfindungsgemäße Anordnung auch noch den Vorteil, daß sie durch Planarverfahren herstellbar ist, die in hohem Maße reproduzierbar und anpassungsfähig sind, die in kleinen Stückzahlen durchführbar sind und die eine relativ hohe Ausbeute bei relativ geringen Kosten örgeben, verglichen mit nicht-planar en Verfahrensweisen

Die einen Schnitt nach der Linie b - b von Fig· 1 a darstellende Fig· 1b zeigt die kontinuierliche optische Wellenausbreitung durch die ionengetauschte Wellenleitorschicht konstanter Dicke, deren Dicke von 20 bis 200 um durch eine Grenzfläche 70 definiert ist. Diese Grenzfläche 70 ergibt eine gute Lichtausbreitungs-Kapselung und -Reflexion, wie es durch Pfeile "?2. angedeutet ist; der ionengetauschte Bereich und das darunter liegende Glassubstrat zu beiden Seiten der Grenzfläche 70 haben wesentlich unterschiedliche Brechungsindizes· Wie bekannt, bestimmen diese unterschiedlichen Brechungsindizes die Lichtreflexion an der Grenzfläche 70, wodurch die gesamte

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Lichtausbreitung, -Reflexion und -Mischung in dieser 20 bis 200 jum dünnen ionengetauschten Oberflächenschicht des Substrates 10 erfolgt· Obwohl aus Zweckmäßigkeitsgründen die reflektierende Metallgrenzschicht 58 auf der gesamten Fläche des anderen Endes 60 des Substrates 10 niedergeschlagen ist, ist es bei dem optischen Koppler nach den Figuren 1 a und 1 b nur notwendig, daß die reflektierende Schicht 58 sich vertikal mindestens so weit erstreckt, wie die Dicke des ionengetauschten, zuvor definierten Wellenausbreitungsabschnittes·

Bei der Anordnung nach Fig. 2 a ist der rechte optische Kopplungs- und Mischbereich der dargestellten Struktur identisch mit der von Fig· 1 a und wird deshalb nicht näher erläutert. Es ist jedoch in den Figuren 2 a und 2b eine bevorzugte Eingangsanordnung einer optischen Faser für eine Gruppe von Kanalwellenleitern 12 usw„ dargestellt. Diese Fiberoptikeingangskonstruktion umfaßt eine Mehrzahl von V-förmigen Nuten 7*b ^{die in ein} darunter befindliches tragendes Siliciumsubstrat 76 eingeätzt sind; dies erfolgt durch geeignetes Maskieren des Siliciumsubstrates 76 mit einer entsprechenden Ätzmaske, worauf die symmetrische Abstände aufweisenden unmaskierten Bereiche des Substrates 76 einem ausgewählten anisotropen Ätzmittel ausgesetzt werden, wie beispielsweise heißer KOH oder Äthylendiamin. Dieses Ätzmittel greift bevorzugt eine gewählte (100) kristallographische Ebene des Siliziumsubstrates 76 an und ätzt bevorzugt in senkrechter Sichtung, bis eine V-förmige Nut 7^ erhalten wird. Nach der Fertigstellung

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dieser V-förmigen Nuten 7k werden dann optische Fasern 78 in diese Nuten oder Rillen eingelegt, wie es in Fig· 2 b dargestellt ist; die Fasern liegen in exakter Ausrichtung in der Mitte der öffnung der V-Nut 7k· Durch Ausrichten der öffnungen der V-Nuten 7k auf die zugehörigen angrenzenden Kanalwellenleiterabschnitte besteht keine Notwendigkeit, die optischen Fasern 78 noch zusätzlich auszurichten, die selbst eine ausgerichtete Lage zu den Kanalwellenleiterabschnitten 12. einnehmen· Diese Methode hat den Vorteil, daß das Koppeln der optischen Fasern mit der erfindungsgemäßen Anordnung en masse erfolgt, was bedeutet, daß eine Mehrzahl von Fasern gleichzeitig mit der Anordnung gekoppelt wird·

Eines der einzigartigen neuen Merkmale des planaren optischen Kopplers gemäß sämtlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt, insbesondere im Blick auf die relativ hohen KopplungsVerluste, die für die zuvor beschriebenen bekannten Koppler charakteristisch sind, darin, daß die einzigen ReflektionsVerluste von Bedeutung dort auftreten, wo, wie durch den Pfeil 62 in Fig. 2 a angedeutet, der Lichtstrahl einen Scheitelpunkt 6k des trennenden Zwischenbereiches kk trifft, der die hornförmigen Wellenübertragungsabschnitte 26, 28 begrenzt· Es breitet sich also der Großteil der reflektierten optischen Energie entlang optischen Pfaden, wie beispielsweise dem Pfad 66, aus, wird dann von den inneren schrägen Wänden 68 reflektiert, die den hornartigen Wellenübertragungsabschnitt 28 begrenzen; von hieraus erfolgt die Ausbreitung in einen der gegebenen optischen Kanalwellenleiterabschnitte 1-if.

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In Fig, 3 ist ein tefl-s transmissiver und teils reflektiver zusammengesetzter planarer optischer Koppler dargestellt, bei dem ein Paar identischer Koppler 80 und 82 Ende an Ende miteinander verbunden sind, wie dargestellt, wobei die jeweiligen aneinanderstroßenden Enden dar Koppler 80 und 82 mit einer teils reflektiven und teils transmissiven Metallreflektorschicht 8^· bedeckt sind. Diese Reflektorschicht 8^· kann beispielsweise im Vakuum auf die oberen Oberflächen der aneinandergrenzenden Endbereiche der Koppler 80 und 82 unter Benutzung geeigneter Maskierungen aufgedampft sein· Alternativ hierzu kann die teils reflektive und teils transmissive Schicht dadurch gebildet sein, daß die ganze 20 bis 200 yx& betragende Dicke von zwei Substraten der zuvor anhand von Fig· 1 b besprochenen Art bedeckt wird, worauf die beiden Strukturen an den reflektiven-transmissiven Oberflächen zusammengefügt werden· Eine Mehrzahl von Kanalwellenleiterabschnitten 83f 85 usw· im linken bzw· rechten Bereich des planaren optischen Kopplers sind ausgerichtet auf und in engstbenachbartem Kontakt mit optischen Fasern 86, 87, die in einer entsprechenden Mehrzahl von V-Nuten 88, 89 des darunter befindlichen tragenden Substrates in einer Weise angeordnet sind, die der zuvor im Zusammenhang mit den Figuren 2a und 2b besprochenen Konstruktion entspricht·

Licht tritt durch einen Kanalwellenleiterabschnitt, beispielsweise 83, ein und breitet sich durch den angrenzenden keilförmigen Wellenübertragun^abschnitt aus, wo seine Reflexion reguliert ist, gelangt dann in einen

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Mischabschnitt 81 und danach in den Bereich unterhalb der Schicht &l\· Ein Teil des Lichtes durchdringt diese zuletzt erwähnte Region und passiert einen Mischabschnitt 79, wird dann von den angrenzenden keilförmigen Wellenübertragungsabschnitten gesammelt und breitet sich aus zu jedem der anschließenden Kanalwellenleiterabschnitte, wie beispiels\veise 85· Ein Teil des Lichtes wird durch die Region unter der Schicht 8^ reflektiert, weil diese Schicht einen Wechsel des Brechungsindex des Substrates gerade unterhalb der Oberfläche der Schicht bewirkt und das Licht, das auf einen solchen Bereich des Wechsels des Brechungsindex stößt, reflektiert wird. Dieser Effekt ist näher der oberen Oberfläche des Substrates stärker» Das reflektierte Licht passiert den Mischabschnitt 81, wird durch jeden der angrenzenden keilförmigen Wellenübertragungsabschnitte gesammelt und breitet sich dann zu jedem der anschließenden Kanalwellenleiterabschnitte, wie beispielsweise 83, aus·

Bei der alternativen Anordnung, bei der die teils reflektive und teils transmissive Schicht durch Abdecken der ganzen Dicke des Substrates erfolgt, ist die Funktion der Anordnung ähnlich der zuvor beschriebenen, mit der Ausnahme, daß die Lichtstrahlen durch die ganze Dicke der Wellenleiterstruktur reflektiert werden statt überwiegend an der Oberfläche des Substrates.

In Fig. 1+ ist ein vollständig transmissiver Planarkoppler 90 gezeigt, der einen gemeinsamen, zentralen Wellenmischabschnitt 92 umfaßt, der beispielsweise durch dasselbe Ionenaustauschverfahren hergestellt ist, das zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 a beschrieben wurde.

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Der Wellenmischabschnitt 92 ist einstückig mit und gleich dick wie der Eingangskanalwellenleiterabschnitt und die Wellenübertragungsbereiche 94, 96 im linken Teil des Kopplers und ebenso einstückig mit und gleich dick wie die Ausgangskanalwellenleiterabschnitte und Wellenübertragungsbereiche 98, 100 im rechten Bereich des Kopplers· Die Gruppe von Eingangs- und Ausgangskanalwellenleiterabschnitten 94 und 98 auf jeder Seite des planaren optischen Kopplers sind ausgerichtet und in eng angrenzendem Kontakt angeordnet mit optischen Fasern 102, lOif, die in einer entsprechenden Gruppe von V-Nuten 106, 108 angeordnet sind, die sich im darunter befindlichen tragenden Substrat befinden entsprechend dem zuvor im Zusammenhang mit den Figuren 2a und 2b besprochenen Aufbau·

Licht tritt durch einenKanalwellenleiterabschnitt, wie 94» ©in, breitet sich durch den angrenzenden keilförmigen Wellenübertragungsabschnitt, wie 96, aus, wo seine Expansion reguliert wird, und passiert dann den Mischabschnitt 92· Danach wird das Licht durch jeden der angrenzenden keilförmigen Wellenübertragurpabschnitte, wie 100, gesammelt und breitet sich dann zu jedem der anschließenden Kanalwellenleiterabschnitte, wie 98, aus·

Die zuvor beschriebenen optischen Koppler sind nicht beschränkt auf Wellenausbreitungsregionen, die? durch einen Ionenaustauschprozeß hergestellt sind, sondern die auch nach anderen Verfahren erzeugt sein können, wie beispielsweise das Protonen-Implantationsverfahren _t wie es von E· Garmire u.a. in einer Veröffentli&ung

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BAD ORiQINAI,

beschrieben ist, die den Titel führt "Optical Waveguiding in Proton Implanted Gallium Arsenide", erschienen in Applied Physics Letters, Band 21, Nr, 3, 1· August 1972, Seiten 87 bis 88· Es versteht sich, daß solche alternative Verfahren Substrate oder Scheiben umfassen können aus verschiedenen anderen optischen und Halbleitermaterialien anstelle von Glas·

Beispiel

Dieses Beispiel illustriert die Bildung und Wirkungsweise einer Anordnung ähnlich der zuvor unter Bezug auf Fig· be erläuterten Anordnung mit der Abweichung, daß in der vorliegenden Anordnung die linken und rechten Seiten jeweils acht Kanäle aufweisen. Ein Glasplättchen mit 10 bis 16 % Na von 2 mm Dicke, 2 cm Breite und 12 cm Länge, bezogen von den Corning Glass Works in Corning, New York, wurde mit einer Aluminiummaske versehen und einem lonenaustauschverfahren unterworfen, wie es zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 a erläutert wurde· Die keilförmigen Wellenübertragungsabschnitte wiesen einen Keilwinkel von 1° auf_o

Unter Benutzung der oben beschriebenen Anordnung wrde ein optisches Signal von einem GaAlAs-Laser mit Informationsmodulation einer optischen Faser zugeführt, die an einen Eingangskanal der Anordnung angrenzte» Die Ausgangssignale der acht Ausgangskanäle der Anordnung wurden gemessen, und es wurde festgestellt, daß eine Gesamt-Einfügungsdämpfung von -9 dB auftrat. Es wurde ferner bestimmt, daß die Kopplung Verluste, verursacht durch nicht perfekte Anpassung der optischen"

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Faserfelder mit dem Kanalwellenleiterfeld mit 4,4 dB zur Gesamtdämpfung beitrug. Hieraus wurde die interne Dämpfung zu -(9,0 - 4,4) dB oder -4,6 dB berechnet. In dieser inneren Dämpfung sind die Ausbreitungsverluste aufgrund von Absorption, Streuung und Wellenleiterfehlstellen eingeschlossen· Bei einem 12 cm-Wellenleiter und unter der Voraussetzung eior Dämpfung von 0,1 dB/cm berechnet sich die interne Dämpfung aufgrund von Absorption, Streuung und Fehlstellen zu 1,2 dB. Die interne Nettodämpfung beträgt daher -(4,6 - 1,2) dB oder -3,4 dB. Dieser Wert ist zu vergleichen mit dem der bekannten Anordnungen, wie sie zuvor erläutert wurden, und die eine Dämpfung von 42 % oder -3,8 dB hatten. Die verbesserte Wirkungsweise dieser Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung gegenüber den bekannten Ausführungsformen demonstriert lediglich die Theorie der vorliegenden Erfindung. Durch Optimieren der Auslegung der erfindungsgemäßen Anordnung können auch Anordnungen mit noch größerem Transmissionswirkungsgrad erhalten werden. Theoretisch ermittelte Ergebnisse deuten an, daß bei einem Kegelwinkel von 1° bei einer Wellenleiterstruktur mit einer numerischen Apertur von 0,2 eine optimierte Anordnung eine Dämpfung von 1 dB oder 20 % aufweisen müßte.

Obwohl die vorliegende Erfindung hauptsächlich unter Bezug auf Eingangssignale eines Ein-Kanal-Wellenleiters erläutert wurde, versteht es sich, daß auch Eingangssignale an Vielfachkanalwellenleiter gleichzeitig geführt werden können. Auch ist die Erfindung nicht auf die hier beschriebene Konfiguration von Eingangs- und Ausgangskanälen beschränkt, sondern schließt

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auch unsymmetrische Konfigurationen mit ungleichen Kanalzahlen an jeder Hälfte der Anordnung ein, ebenso wie andere Zahlen von Eingangs- und Ausgangskanälen· Außerdem braucht die hornartige, keilförmige Wellenleiterstruktur sich nicht linear erweitern, wie gezeigt, sondern kann auch eine exponentielle oder parabolische Hornkontur aufweisen· Schließlich ist auch das Substrat nicht auf ein Glasscheibchen begrenzt, wie zuvor schon erwähnt, sondern umfaßt geeignete Substrate aus anderen Materialien oder anderer Gestalt,wie beispielsweise einen Stab*

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Claims

Patentansprüche

1· Optische Kopplungsanordnung mit einem optischen Koppler mit einem Substrat aus einem optischen Material und mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche, zwischen denen sich eine Eingags- und eine Endebene erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zueinander einen Abstand aufweisende optische Kanalwellenleiter (12 bis 22; 83; 85; 9k\ 98) benachbart der ersten Hauptoberfläche vorgesehen sind, die sich bis zur Eingangsebene (24) erstrecken, daß mehrere keilförmige Wellenübertragungsabschnitte (26 bis 36; 96; 100) vorgesehen sind, von denen jeder einstückig an einen Kanalwellenleiter anschließt zur Verbindung eines angrenzenden Wellenübertragungsabschnitts mit einem gemeinsamen Scheitelbereich zur Bildung einer Vielfach-Konfiguration hornförmiger, Seite an Seite befindlicher Abschnitte, daß ein Wellenmischbereich (38; 79; 81; 92) am Ende der Wellenübertragungsabschnitte einstückig anschließt, der vertikal dieselbe Erstreckung aufweist und bis oder nahezu bis zur Endebene (60) reicht, und daß Reflektions- oder Transmissionsmittel (58; 8k) an die Endebene angrenzend angeordnet sind zum Transmittieren oder Reflektieren von Licht, das sich durch die Wellenmischregion ausbreitet, wobei die keilförmige Geometrie der Wellenübertragungsabschnitte die optische Kopplungswirkung zwischen den Kanalwellenleitern und dem Wellenmischbereich steigert.

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Natriumionen enthaltendes Glas ist, und daß alle optischen Ausbreitungsregionen durch die Substitution von Natriumionen durch Lithiumionen gebildet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kanalwellenleiter an eine getrennte optische Faser angrenzt und Licht von dieser erhält,

k· Anordnung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß jede optische Faser (73; 86; 87; 102; 10/f) in einer eigenen V-förmigen Nut (7^; 88;89; 106; 108) des tragenden Substrates (10) angeordnet ist, und daß die Nuten bezüglich der Kanalwellenleiter ausgerichtet sind.

5· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis /f, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden oder transraittierenden Mittel eine dünne Metallschicht (58) umfassen, die sich über die Endebene (60) erstreckt, zum Reflektieren von aus einem der Kanalwellenleiter empfangenen Lichtes in einen oder mehrere benachbarte Kanalwellenleiter·

6· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis if, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter optischer Koppler vorgesehen ist, der identisch zum ersten optischen Koppler ausgebildet ist und dessen Endebene an die Endebene des ersten optischen Kopplers angrenzt, wobei die reflektierenden oder transmittierenden Mittel eine Metallisierungsschicht umfassen, die zwischen

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den Endebenen der beiden Koppler angeordnet ist.

7· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden oder transmittierenden Mittel einen zweiten optischen Koppler umfassen, der mit dem ersten optischen Koppler identisch ist und dessen Wellenmischbereich einstückig und vertikal von gleicher Erstreckung ist wie der Wellenmischbereich des ersten optischen Kopplers, und daß mehrere optische Eingangs- und Ausgangsfasern vorgesehen sind, die jeweils ausgerichtet sind zu mehreren Eingangs- und Ausgangskanalwellenleitern jedes der beiden optischen Koppler, um optische Daten aus einer Gruppe von optischen Fasern in eine andere zu übertragen·

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