DE2124916A1

DE2124916A1 - Einrichtung zum Einkoppeln von Licht wellen in Dunnfilm Lichtleiter

Info

Publication number: DE2124916A1
Application number: DE19712124916
Authority: DE
Inventors: Arthur Rumson Ippen Erich Peter Middletown NJ Ashkin (V St A )
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-05-25
Filing date: 1971-05-19
Publication date: 1971-12-09
Also published as: GB1330777A; FR2090264A1; JPS542857B1; DE2124916B2; DE2124916C3; CA952356A; SE358970B; BE767482A; FR2090264B1; US3674335A

Description

Western Electric Company Incorporated Ashkin 35-2

New York

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Einrichtung zum Einkoppeln von Li eilt well en in Dünnfilm-Lichtleiter

Die Erfindung bezieht sieh auf eine Einrichtung zum Einkoppeln von Licht in Dünnfilm-Liehtleiter.

Die Verwendung von integrierten optischen Einrichtungen in optischen Übertragungssystemen, optischen Datenverarbeitungssystemen und verschiedenen anderen lichtverwendenden Systemen ist sehr intensiv untersucht worden. Die Vorteile ύοώ. integrierten Schaltungstechniken bei der Verwendung im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums sind sehr vielgestaltig und entsprechen den Vorteilen bei niedrigeren Frequenzen. Daher sind Miniaturisierung, Minimalisierung von Umgebungseinflüssen, z. B. Vibrations- und Thermoeffekten, und die Reproduzierbarkeit bei niedrigen Kosten mit integrierten optischen Schaltungen realisierbar.

Eine der günstigsten Anordnungen zum Erreichen einer Integration der optischen Schaltung liegt in der Verwendung von Dünnfilm-Lichtleitem, wobei der Film in der Regel eine Dicke von angenähert der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes besitzt. Solche Dünnfilme erschweren jedoch das Einführen von Licht in den Dünnfilm mit einem entsprechenden Wirkungsgrad.

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_ ρ —

Es ist eine Anordnung bekannt, bei der zum Einkoppeln von Lichtwellen in den Dünnfilm durch eine Hauptfläche dieses Pilms ein internes Reflektionsprisma verwendet wird. Die Prismenexnkopplung hat sich als bei weitem wirksamer erwiesen als frühere Anordnungen, bei denen beispielsweise das Licht durch ein Ende des Lichtleiters eingeführt wurde. Andererseits ist die Prismenanordnung jedoch relativ raumaufwendig, und die Reduzierung dieses relativ großen Raumbedarfs würde eine weitere Mini aturi sie rung des Systems ermöglichen. Obwohl die Prismenanordnung bei weitem wirksamer als die früheren Einrichtungen ist, würde eine weitere Vergrößerung des Exnkopplungswirkungsgrades selbstverständlich vorteilhaft sein» Die vorliegende Erfindung erreicht sowohl eine Verringerung des Raum- bzw. Platzbedarfs der Kopplungsanordnung als auch einen höheren Kopplungswirkungsgrad .

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird kohärentes Licht mittels eines mit dem Lichtleiter auf der der Einfallseite des Lichts entgegengesetzten Seite des Lichtleiters in Berührung stehenden optischen Reflexionsgitters in einen dünnen Lichtleiter eingekoppelt. Das eintretende Licht durchläuft den Lichtleiter und wird von dem Gitter reflektiert. In Abhängigkeit von dem Einfallwinkel des Lichts wird ein Teil des reflektierten Lichts in einer oder mehreren der Gitterordnungen im Lichtleiter eingefangen.

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Das auf diese Weise eingefangene Licht hat eine Komponente seiner Ausbreitungskonstanten in der Longitudinalrichtung des Leiters und tritt mit einer besonderen Wellenleiter-Schwingungsform in Wechselwirkung, und zwar u. a. in Abhängigkeit von dem Einfallwinkel des Lichts und der Gitterperiodizität.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist das Reflexionsgitter auf einer Oberfläche des Lichtleiters selbst ausgebildet.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Transmissionsgitter, das entweder ein Absorptions- oder ein Phasengitter sein kann, auf einer Hauptfläche des Lichtleiters abgelagert oder ausgebildet, wobei das Licht auf dem Gitter einfällt. Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine der Gitterordnungen, in Abhängigkeit von dem Einfallwinkel, im Leiter eingefangen und führt eine besondere Wellenleiter-Schwingungsform ein.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Licht mittels eines als Reflexions-, Absorptions- oder Phasengitter ausgebildeten optischen Gitters in einen Dünnfilm-Lichtleiter eingekoppelt wird.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Wirkungsgrad der Kopplung und die angeregte Schwingungsform

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bzw. Eigenschwingung im Lichtleiter durch Änderung des Einfallwinkels des einzukoppelnden Lichtes geändert werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 3 eine schematische Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist in erheblich vergrößertem Maßstab und schematisch eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei ein Reflexionsgitter zum Einkoppeln des einfallenden Lichts in einen Dünnfilm-Lichtleiter verwendet wird.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 weist eine Lichtquelle 11, z. B. einen Helium-Neon-Laser mit einer kohärenten Licht-Ausgangsstrahlung von 6328 A auf. Statt dessen kann auch irgendeine andere geeignete Quelle verwendet werden. Eine Linsenanordnung 12 kann, soweit notwendig, zum Fokussieren des Lichtes verwendet werden.

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Ein Dünnfilm-Liclitleiter 13 aus irgendeinem geeigneten transparenten, lichtleitenden Material, z. B. aus Glas, ist auf einer geeigneten Unterlage 14 angebracht, die für die Wellenlänge des einzukoppelnden Lichtes durchlässig ist. Der Lichtleiter 13 und die Unterlage 14 sind vorzugsweise so gewählt, daß ihre Brechungsindizes die Beziehung n„?ü, 7η.., wobei n₂ der Brechungsindex des Lichtleiters 13, n^ der Brechungsindex der Unterlage 14 und n. der Brechungsindex von Luft ist. Die zuvor genannte Bedingung ist keine notwendige Bedingung. Es ist möglich, den Lichtleiter und das- Gitter zwischen zwei dielektrischen Bauteilen in Sandwich-Bauweise einzubauen, wobei die beiden dielektrischen Bauteile gleichen Brechungsindex oder irgendein erwünschtes Brechungsindex-Verhältnis haben und beide einen kleineren Brechungsindex als derjenige des Lichtleiters besitzen.

In der Anordnung gemäß Fig. 1 ist ein Reflexionsgitter auf der der Unterlage 14 entgegengesetzten Oberfläche des Leiters 13 ausgebildet. Um im wesentlichen Totalreflexion zu gewährleisten, ist das Gitter 16, welches eingeschnitten, eingedrückt, eingestanzt, durch Ablagerung aufgebracht oder .auf andere Weise in oder auf dem Leiter 13 ausgebildet werden kann oder welches als an sich unabhängiges Element mit dem Leiter 13 in Berührung oder in unmittelbare Nähe des Leiters gebracht werden kann, auf seiner Außenfläche versilbert. In de^folgenden Beschreibung wird die Periodizität

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des Gitters 16 mit dem Buchstaben a bezeichnet.

Das von der Quelle 11 kommende Licht wird auf die Unterlage bzw. das Substrat 14 unter einem solchen Winkel gerichtet, daß es nach seinem Durchtritt durch die Unterlage 14 und den Leiter 13 unter einem in Fig. 1 dargestellten Winkel Q^ auf das Gitter 16 fällt und von diesem in einer oder mehreren Gitterordnungen reflektiert wird. In Fig. 1 sind nur zwei Reflexionsgitterordnungen gezeigt, und zwar die O-Ordnung, welche von der Anordnung nach außen reflektiert wird, und die +1-Ordnung, welche unter einem Winkel θ reflektiert wird, wobei m die Ordnungszahl, in diesem Fall m = 1, darstellt. In Fig. 1 ist der Winkel 9_m so gezeigt, daß die +1-Ordnung im Lichtleiter 13 eingefangen wird. Der Winkel ©_m steht mit dem Winkel θ ^ durch

mx sin O_1n= sin Q_± + — (D

in Beziehung, wobei X die Wellenlänge des Lichts in Vakuum ist. Damit das Licht in einer besonderen Gitterordnung im Leiter eingefangen wird, ist der Minimalwert von O_m gegeben durch

während der Maximalwert von ©_m offensichtlich tf/2 beträgt. In dem zuletzt genannten Fall läuft das Licht parallel zur Längsachse der Leiter. Das im Leiter eingefangene Licht,

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d. h. das Licht der +1-Ordnung in Pig. 1, hat eine Ausbreitungskonstante £ längs der Leiterachse, die durch

sin e_m

gegeben ist. Aus Gleichung (3) ist zu sehen, daß ß durch Änderung des Winkels θ variiert werden kann, welch letzterer wiederum gemäß Gleichung (1) durch Änderung von θ ^ geändert werden kann. Zur Änderung von Q^ können irgend- ' welche geeigneten Mittel verwendet werden, so z. B; kann die Quelle 11 bewegt werden, es können licht-ablenkende Elemente eingesetzt werden, oder es kann die aus dem Lichtleiter 13 und der Unterlage 14 bestehende Anordnung in Bezug auf die Quelle 11 bewegt werden. Bekanntlich ist ein Lichtleiter, wie der inPig. 1 dargestellte Lichtleiter, in der Lage, eine große Zahl von Wellenleiter-Moden bzw. -Schwingungsformen zu führen, von denen jede eine charakteristische Ausbrertungskonstante f> hat. Allgemein reichen die Werte von £ für die verschiedenen Moden bzw. Schwingungsformen von n^ ω/c bis n« ^w/o_t wobei αϊ die Winkelfrequenz des Lichts und c die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum ist. Daher tritt Phasenanpassung des eingefangenen Lichts und einer Wellenleiter-Ausbreitungsschwingungsform innerhalb der Grenzen auf, die definiert sind durch

m -^ c

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wobei n₂>n^. Soll auf eine besondere Wellenleiter-Scliwingungsform bzw. -Eigenschwingung eingekoppelt werden und ist deren

β bekannt, so kann ß_m der Gleichung (3) gleich dem (3 der gewünschten Schwingungsform durch geeignete Wahl von O₁ gemacht werden.

Pig. 2 ist eine schematische Ansicht einer im Prinzip derjenigen nach Fig. 1 ähnlichen Ausführungsform, bei der ein Transmissionsgitter 21 anstelle eines Reflexionsgitters verwendet wird. Der Einfachheit halber sind in beiden Ausführungsformen übereinstimmende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. Licht von der Quelle 11 und der Linse 12 trifft auf das Gitter 21 unter einem Winkel O^ und tritt durch das Gitter; das aus dem Gitter austretende Licht ist in einer oder mehreren Gitterordnungen. In Fig. 2 sind nur die 0-Ordnung und die +T-Ordnung gezeigt. In der Anordnung gemäß Fig. 2 ist der Winkel O_m durch die Gleichung

ⁿi

i \>

sin O_n, = -^- sin 0. + —-^ (5)

mn ι aru

_n, = ^ sin 0. +
mn« ι aru

auf 0. bezogen. Die Bedingungen zum Einfangen sind dieselben wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1, und die besondere eingefangene Gitterordnung und der Ausbreitungsmodus, in welchen das einfallende Licht gekoppelt wird, können durch Änderung von 0. geändert werden.

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Das Gitter 21 kann in verschiedener Weise ausgebildet sein, so z. B. als Absorptionsgitter oder als Phasengitter. Der Wirkungsgrad der Kopplung wird durch die Verwendung eines Phasengitters vergrößert, während Gitter des Absorptionstyps wegen der Absorption und des Verlustes eines Teils des einfallenden Lichts einen geringeren Wirkungsgrad haben. Es ist nicht notwendig, daß das Gitter 21 an oder in der Oberfläche des Leiters 13 ausgebildet ist, obwohl eine solche Ausbildung einer Verringerung des Platzbedarfs entgegenkommt. Das Gitter 21 kann ein getrenntes Bauteil sein, das in unmittelbarer Nähe oder in Berührung mit der Oberfläche des Leiters 13 angeordnet ist.

Bisher wurde die Erfindung unter Erläuterung des Einfangens und des Koppeins positiver Gitterordnungen beschrieben. In ähnlicher Weise können negative Gitterordnungen eingefangen werden, und zwar mit einer möglichen Steigerung des Kopplungseffekts. In Fig. 3 ist eine im Prinzip der Anordnung nach Fig. 1 ähnliche Ausführungsform gezeigt, bei der die -1-Reflexionsgitterordnung im Leiter eingefangen wird. Der Einfachheit halber werden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 gebraucht.

In der Anordnung gemäß Fig. 3 wird das Licht von einer Quelle 11 in ein Substrat 14 und einen Leiter 13 geleitet und trifft auf ein Reflexionsgitber 16 unter einem Winkel Q^

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derart, daß der Winkel 0 ₁ der +1-Gitterordnung der Be ziehung

O₊₁ > I (6)

genügt. Dies erfordert, daß

für die nicht zu übertragende +1-Gitterordnung ist. Auch W die -2-Gitterordnung sollte nicht durch den Leiter übertragen werden; dies erfordert, daß

ist. Daher sind die Grenzen für den Einfallwinkel 0. wie folgt definiert:

Dadurch ergibt sich die Bedingung

| ^ (10)

für die Gitterwßllenlänge. Wenn die Bedingung (10) gegeben ist, kann gezeigt werden, daß

wodurch der Abstimmbarkeitsbereich von θ_^ für die Bedingung (9) definiert ist.

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Um eine in Leiter 13 geführte Schwingungsform anzuregen, sollte der Bereich von Q_-1 ausreichend groß sein, um die Bedingung

sin G_-1 = -g££ (12)

zuzulassen, wobei n_eff der effektive Brechungsindex für die in Betracht stehende geführte Schwingungsform ist und

ⁿ3 ^ ⁿeff

In ähnlicher Weise kann der Wert von & und der Bereich von

-1 für eine Transmissionsgitteranordnung bestimmt werden. Mit solchen Anordnungen ist es möglich, die Parameter des Systems, einschließlich der Gitterwellenlänge oder Periodizität zu wählen, um eine einzige übertragene Gitterordnung zu erhalten, welche sodann eingefangen wird und zu einem hohen Kopplungswirkungsgrad Anlaß gibt.

Bei einer Reflexionsgitteranordnung gemäß dem in Pig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei der der Leiter 13 aus Glas mit einem Brechungsindex von 1,52 besteht, war die Unterlage 14 aus transparentem Kunststoff mit einem Brechungsindex von 1,5» die Gitterwellenlänge a betrug 1,9/^m, und die Wellenlänge des Lichts war 6328 Ä für ein Einfangen der ersten Gitterordnung; dabei betrug für die Phasenanpassung θ^ angenähert 55°. Änderungen bezüglich Q^

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ergaben unterschiedliche Ausbreitungsmoden im Leiter, welche bei verschiedenen Werten von Θ- phasenangepaßt waren; es erwies sich als möglich, durch Änderungen von Θ. auch andere Gitterordnungen als +1 einzufangen«,

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Claims

Patent ansprüche

'1 J Lichtwellen-Kopplungsanordnung mit einem optischen Wellenleiter, der aus einem Material mit dem Brechungsindex n₂ "besteht, zwei einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist und auf einer Unterlage aus einem Material mit einem von ru abweichenden Brechungsindex n-, angebracht ist,

dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Gitter (16) längs einer der Oberflächen des Lichtleiters (13) verläuft und eine Einrichtung (11, 12) vorgesehen ist, welche einen Lichtstrahl unter einem solchen Winkel Θ. auf das Gitter richtet, daß Phasenanpassung zwischen Licht in einer der Gitterordnungen und einem Lichtleiter-Ausbreitungsmoden auftritt.
2. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurc h· gekennzeichnet , daß das Gitter (21) ein Transmissionsgitter ist.
3. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gitter ein Reflexionsgitter ist.
4. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das optische Gitter

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auf einer Oberfläche des Wellenleiters (13) ausgebildet ist.
5. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Brechungsindizes in der Beziehung n₂ >n, 7η. stehen, wobei n. der Brechungsindex von Luft ist.
6. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß der Winkel Θ. auf den Winkel θ der Phasenanpassungsgitterordnung durch

m λ·

sin 9„ = sin Θ.

ία 1 acu

bezogen ist, wobei m die Gitterordnungszahl, a die Gitterperiodizität und X die Wellenlänge von Licht in Vakuum ist.
7. Kopplungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausbreitungskonstante der Phasenanpassungsgitterordnung gegeben ist durch

sin θ _ffl
8. Kopplungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Minimalwert für ©_m bei Phasenanpassung gegeben ist durch

n..

^sin

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9. Kopplungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Grenzen von B für Phasenanpassung definiert sind durch

IlpW

m c

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und w = 2*Tf mit f = die Lichtfrequenz„
10. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Winkel Θ. auf den Winkel 9_m der Phasenanpassungsgitterordnung durch

η ΐλ

sin G„ = -—i. sin Θ. + -rt~—

m np ι an«

bezogen ist, wobei n. der Brechungsindex von Luft, κ die Gitterordnungszahl, λ die Wellen! und a die Gitterperiodizität ist.

Gitterordnungszahl, λ die Wellenlänge von Licht in Vakuum
11. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Winkel ö_± der Beziehung

^{sin Θ}1

genügt, wobei λ die Wellenlänge von Licht in Vakuum und a die Gitterperiodizität ist.

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12. Kopplungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η ζ
der Beziehung

gekennzeichnet , daß der Winkel Θ. außerdem

genügt.
13· Kopplungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet , daß die Gitterperiodizität der

Beziehung

genügt.
14. Kopplungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Grenzen des Winkels θ--| der -1 Gitterordnung für Phasenanpassung durch

BE

^sin

definiert sind.

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ι " ·♦ Leerseite