DE2124916C3

DE2124916C3 - Einrichtung zum Einkoppeln von Lichtwellen in Dünnfilm-Lichtleiter

Info

Publication number: DE2124916C3
Application number: DE2124916A
Authority: DE
Inventors: Arthur Rumson Ashkin; Erich Peter Middletown Ippen
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-05-25
Filing date: 1971-05-19
Publication date: 1980-11-20
Also published as: JPS542857B1; CA952356A; DE2124916B2; DE2124916A1; FR2090264A1; FR2090264B1; BE767482A; US3674335A; GB1330777A; SE358970B

Description

genügt, mit A₀ = Lichtwellenlänge im Vakuum.

7. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter ein Transmissionsgitter(21)ist.

8. Kopplungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter mit einer seiner Oberflächen gegen Luft angrenzt, dort das Gitter trägt und Licht von dieser Seite aus eingekoppelt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtwellen-Kopplungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Die Verwendung integrierter optischer Einrichtungen in optischen Übertragungssystemen, optischen Datenverarbeitungssystemen und verschiedenen anderen mit Licht arbeitenden Systemen ist sehr intensiv untersucht worden. Die Vorteile integrierter 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.

Der zumeist benutzte Weg für den Erhalt einer integration optischer Schaltungen liegt in der Verwendung von Dünnfilm-Lichtleitern, die in der Regel eine Dicke von angenähert der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes haben. Solche Dünnfilme erschweren jedoch das Einführen von Licht in den Dünnfilm mit einem vernünftigen Wirkungsgrad, ίο Es ist eine Anordnung bekannt, bei der zum Einkoppeln von Lichtwellen in den Dünnfilm durch eine Hauptfläche dieses Films hindurch ein Prisma mit interner Reflexion verwendet wird. Die Prismeneinkopplung hat sich als bei weitem wirksamer erwiesen als is führere Anordnungen, bei denen das Licht beispielsweise durch ein Ende des Lichtleiters eingeführt wurde. Andererseits ist die Anordnung eines Prismas relativ raumaufwendig, und die Reduzierung dieses relativ großen Raumbedarfs würde eine weitere Miniaturisierung des Systems ermöglichen. Obwohl die Prismenanordnung bei weitem wirksamer als die früheren Einrichtungen ist, würde eine weitere Vergrößerung des Einkopplungswirkungsgrades selbstverständlich vorteilhaft sein.

Die Aufgabe der Erfindung liegt deshalb sowohl in einer Verringerung des Raum- bzw. Platzbedarfs der Kopplungsanordnung als auch in einem gleichzeitig angestrebten höheren Kopplungswirkungsgrad.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird kohärentes Licht mittels eines optischen Reflexionsgitters in einen dünnen Lichtleiter eingekoppelt, das mit dem Lichtleiter auf dessen der Einfallseite des j5 Lichtes gegenüberliegenden Seite in Berührung steht. Das eintretende Licht durchläuft den Lichtleiter und wird am Gitter reflektiert. In Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichtes wird ein Teil des in einer oder mehreren Gitteranordnungen reflektierten Lichtes im Lichtleiter eingefangen. Das auf diese Weise eingefangene Licht hat eine Komponente seiner Ausbreitungs konstante in Lichtleiterlängsrichtuiig, tritt in Abhängigkeit voii u. a. dem Einfallswinkel des Lichtes und der Gitterperiodizität mit einer bestimmten Wellenleiter-4·) Schwingungsform in Wechselwirkung und induziert diese.

Das Reflexionsgilter kann dabei auf der Oberfläche des Lichtleiters selbst ausgebildet sein.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung so ist ein Transmissionsgitter, das entweder ein Absorptions- oder ein Phasengitter sein kann, auf einer Hauptfläche des Lichtleiters niedergeschlagen oder ausgebildet, wobei das Licht auf dem Gitter einfällt. Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird in γ-, Abhängigkeit vom Einfallswinkel in einer der Gitteranordnungen gebeugtes Licht im Leiter eingefangen und induziert eine bestimmte Wellenleiter-Schwingungsform.

Wie nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, bo können der Wirkungsgrad der Kopplung und die speziell angeregte Schwingungsform bzw. Eigenschwingung im Lichtleiter durch Änderung des Einfallswinkels des einzukoppelnden Lichtes geändert werden.

In der Zeichnung zeigt

M 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.

Fig. 1 zeigt in erheblich vergrößertem Maßstab schematisch eine Ausführungsform mit einem Reflexionsgitter zum Einkoppeln des einfallenden Lichtes in einen Dünnfilm-Lichtleiter. Wie dargestellt, ist eine Lichtquelle 11, z. B. ein Helium-Neon-Laser mit einer kohärenten Licht-Ausgangsstrahlung von 632,8 nm, vorgesehen. Statt dessen kann auch eine andere Quelle verwendet werden. Eine Linsenanordnung 12 kann, soweit iiotwendig, zum Fokussieren des Lichtes verwendet werden.

Ein Dünnfiim-Lichtleiter 13 aus einem transparenten, lichtleitenden Material, z.B. aus Glas, ist auf einem Substrat 14 angebracht, das für die Wellenlänge des einzukoppelnden Lichtes durchlässig ist Der Lichtleiter 13 und das Substrat 14 sind so gewählt, daß ihre Brechungsindizes n₂ bzw. /73 die Beziehung n₂>m>n\ erfüllen, wenn m der Brechungsindex von Luft ist (dargestellter Fall). Es ist jedoch nicht notwendig, den Lichtleiter auf der einen Seite an Luft angrenzen zu lassen. Der Lichtleiter und das Gitter können auch zwischen zwei dielektrischen Bauteilen gelegen sein. Dabei können die beiden dieleketrischen Bauteile sichtlich π/2 beträgt Im letzteren Fall läuft das Licht parallel zur Längsachse der Leiter. Das im Leiter eingefangene Licht, d,h. das Licht der +1. Ordnung in Fig. 1, hat eine Ausbreitungskonstante β längs der Leiterachse, die durch

2 π η₂ sin θ_η

gegeben ist Aus Gleichung (3) ist zu sehen, daß ß_m durch Änderung des Beugungswinkels Q_m variiert werden kann, der seinerseits gemäß Gleichung (1) durch Änderung des Einfallswinkels Θ, geändert werden kann. Die Änderung des Einfallswinkels Θ, kann auf zahlreichen Wegen erfolgen. Zum Beispiel kann die Quelle 11 bewegt werden oder es können lichtablenkende Elemente eingesetzt werden oder es kann die aus dem Lichtleiter 13 und dem Substrat 14 bestehende Anordnung gegenüber der Quelle 11 bewegt werden.

Bekanntlich vermag ein Lichtleiter, wie der in Fig. 1 dargestellte Lichtleiter, eine große Zahl von Wellenleiter-Moden bzw. -Schwingungsformen zu führen, von denen jede eine charakteristische Ausbreitungskonstan

und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum sind. Daher tritt Phasenanpassung des eingefangenen Lichtes und einer Wellenleiter-Ausbreitungsschwingungsform nerhalb der Grenzen auf, die definiert sind durch

/1,

IU in

(4)

te β hat. Allgemein reichen die Werte von β für die gleichen Brechungsindex oder irgendein erwünschtes 25 verschiedenen Moden bzw. Schwingungsformen von Brechungsindex-Verhältnis haben, wenn nur der Bre- n^oi/c bis nitülc, wobei ω die Kreisfrequenz des Lichtes chungsindex beider kleiner als der des Lichtleiters ist

Bei der Anordnung nach F i g. 1 ist ein Reflexionsgitter 16 auf der dem Substrat 14 gegenüberliegenden Oberfläche des Leiters 13 vorgesehen. Um im wesentlichen Totalreflexion zu gewährleisten, is. das Gitter 16 auf seiner Außenfläche versilbert. Das Gitter 16 kann im übrigen eingeschnitten, eingedrückt, eingestanzt, niedergeschlagen oder auf andere Weise in oder auf dem Leiter 13 ausgebildet sein oder kann als gesondertes Element vorliegen, das in Kontakt mit dem Leiter 13 steht oder in unmittelbarer Nähe des Leiters gelegen ist Nachstehend sei die Periodizität des Gitters 16mitabezeich.net

Das von der Quelle 11 kommende Licht wird auf das Substrat 14 unter einem solchen Winkel gerichtet, daß es nach seinem Durchtritt durch das Substrat 14 und den Leiter 13 unter einem Einfallswinkel Θ, auf das Gitter 16 fällt und von diesem im Wege der Beugung in eine oder mehrere Gitterbeugungsordnungen reflektiert wird. In Fig. 1 sind nur zwei Gitterbeugungsordnungen gezeigt, und zwar die nullte Ordnung, welche von der Anordnung nach außen reflektiert wird, und die +1. Ordnung, welche unter dem Beugungswinkel Q_n, = Θι reflektiert wird, wobei m die Ordnungszahl, im dargestellten Fall /n = 1, darstellt. In Fig. 1 ist der Beugungswinkel Q_m so gezeigt, daß die +1. Ordnung im Lichtleiter 13 eingefangen wird. Der Beugungswinkel e_m ist mit dem Einfallswinkel Θ, durch wobei m>nz. Soll auf eine besondere Wellenleiter-Schwingungsform bzw. -Eigenschwingung eingekoppelt werden und ist deren β bekannt, so kann ß_m der Gleichung (3) gleich dem β der gewünschten Schwingungsform durch geeignete Wahl von Q₁ gemacht werden.

F i g. 2 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, die im Prinzip der nach F i g. 1 ähnelt, bei der aber ein Transmissionsgitter 21 statt des Reflexionsgitters 16 verwendet wird. Der Einfachheit halber sind in beiden Ausführungsformen übereinstimmende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. Licht der Quelle 11 trifft nach Durchgang durch die Linse 12 auf das Gitter 21 unter einem Winkel Θα Das aus dem Gitter austretende Licht ist in eine oder mehrere Gitterbeugungsordnungen gebeugt. In F i g. 2 sind wieder nur die 0. Ordnung und die +1. Ordnung gezeigt. Bei der Anordnung gemäß F i g. 2 sind die Winkel Q_n, und Θ, durch die Gleichung

sin <-)_m = sin <V, +

ClIJ₂

(D sin (-),„ = sin <->,

m /.„

ClIt₂

(5)

verknüpft wobei X₀ die Lichtwellenlänge im Vakuum ist. Damit Licht einer bestimmter ^rMtterbeugungsordnung im Leiter eingefangen wiiu, inuo der Mindestbeugungswinkel der Bedingung

sin (-),„ >

«3 »2

(2)

gehorchen, während der Maximalwert von Q_n, offenverknüpft. Die Bedingungen für Lichteinfang sind dieselben wie bei der Anordnung gemäß F i _t. 1, und die speziell eingefangene Gitterbeugungsordnung und der spezielle Ausbreitungsmodus, in welchen das einfallendt Licht gekoppelt wird, können durch Änderung des Einfallswinkels Θ,geändert werden.

Das Gitter 21 kann verschieden ausgebildet sein, z. B. als Absorptionsgitter oder als Phasengitter vorliegen. Der Wirkungsgrad der Kopplung ist bei einem Phasengitter größer, weil die an einem Absorptionsgit-

!..'ÄartsjUl· .j.

ter anfallenden Lichtverluste entfallen. Das Gitter 21 braucht nicht an oder in der Oberfläche des Leiters 13 ausgebildet zu sein, obwohl eine solche Ausbildung einer Verringerung des Platzbedarfs entgegenkommt; es kann auch ein getrenntes Bauteil sein, das in unmittelbarer Nähe oder in Berührung mit der Oberfläche des Leiters 13 angeordnet sein kann.

Bisher erfolgte die Beschreibung anhand eines Einfangens und Koppeins von Licht positiver Gitterbeugungsordnungen. Es kann aber auch Licht negativer Gitterbeugungsordnungen eingefangen werden, und zwar mit einer möglichen Steigerung des Kopplungswirkungsgrades. In Fig.3 ist eine im Prinzip der Anordnung nach F i g. 1 ähnliche Ausführungsform gezeigt, bei der nur die —1. Reflexionsgitterbeugungsordnurig im Leiter eingefangen wird. Der Einfachheit halber sind dieselben Bezugszeichen wie in F i g. 1 gebraucht.

In der Anordnung gemäß Fig.3 wird das Licht von einer Quelle 11 in ein Substrat 14 und einen Leiter 13 eingeleitet und trifft auf ein Reflexionsgitter 16 unter dem Einfallswinkel Θ, derart, daß der Beugungswinkel β +1 der + 1. Gitterbeugungsordnung der Beziehung

Dadurch ergibt sich die Bedingung

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

1 --^ < sin <y_, < -^- -l, (11)

CIIl₂ (UI₂

wodurch der Abstimmbarkeitsbereich von θ ι für die Bedingung (9) definiert ist.

Um eine im Leiter 13 geführte Schwingungsform anzuregen, sollte der Bereich von θ _ ι ausreichend groß sein, um die Bedingung

sin«., =

zuzulassen, wobei n_en der effektive Brechungsindex für die in Betracht stehende geführte Schwingungsform und zwischen m und n_s gelegen ist, also der Bedingung

»Λ < Π,.0 < H₂ (IU > H₁)

genügt. Dieses erfordert, daß

sin r->, > 1 - -^-

ClIl₂

für die nicht zu übertragende +1. Gitterbeugungsordnung ist Auch die —2. Gitterbeugungsordnung sollte nicht durch den Leiter übertragen werden; dieses erfordert, daß

sin (-), < --^λ° - !
an-,

ist- Daher sind die Grenzen des Einfallswinkels Θ, für einen Einfang von Licht der — 1. Gitterbeugungsordnung wie folgt bestimmt:

- ^ < sin (V,- < .-i9 an₂ aih

gehorcht.

jo In ähnlicher Weise können der Wert von a und der Bereich von Θ _ ι für eine Transmissionsgitteranordnung bestimmt werden. Mit solchen Anordnungen ist es möglich, die Parameter des Systems, einschließlich der Gitterperiodizität zu wählen, um Licht einer einzigen j5 Gitterbeugungsordnung übertragen zu erhalten, welche sodann eingefangen wird und zu einem hohen Kopplungswirkungsgrad Anlaß gibt.

Bei einer Reflexionsgitteranordnung nach Fig. 1, bei der der Leiter 13 aus Glas eines Brechungsindex von 1,52 bestand, war die Unterlage 14 aus transparentem Kunststoff eines Brechungsindex von 1,5, betrug die Gitterperiodizität a = 1,9 μπι und war die Wellenlänge des Lichtes 632,8 nm, um einen Einfang von Licht der ersten Gitterbeugungsordnung zu erhalten; dabei betrug für Phasenanpassung der Einfallswinkel Θ, angenähert 55°. Änderungen bezüglich Θ, ergaben Lichtfortpflanzung in verschiedenen Ausbreitungsmoden im Leiter, welche bei verschiedenen Einfallswinkeln θ; phasenangepaßt waren; es erwies sich als möglich, (9) 5o durch Änderungen von Θ, auch Licht anderer Gitterbeugungsordnungen als +1. einzufangen.

(8)

Hierzu 2 Malt Zcidimmuen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtwellen-Kopplungsanordnung mit einem optischen Wellenleiter, der aus einem Material mit dem Brechungsindex n₂ besteht, zwei einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist und auf einem Substrat aus einem Material mit einem gegenüber n₂ kleineren Brechungsindex n₃ angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Gitter (16,21) mit der Gitterperiodizität a längs einer der Oberflächen des Lichtleiters (13) verläuft und eine Einrichtung (11,12) vorgesehen ist, welche einen Lichtstrahl unter einem solchen Einfallswinkel auf das Gitter richtet, daß Phasenanpassung zwischen Licht in einer der Gitterbeugungsordnungen und einem Lichtleiter-Ausbreitungsmode auftritt.

2. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter auf einer Oberfläche des Welienleiters (13) ausgebildet ist

3. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter ein Reflexionsgitter (16) ist

4. Kopplungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter mit einer seiner Oberflächen gegen Luft angrenzt, dort das Gitter trägt und Licht von der Substratseite her eingekoppelt wird.

5. Kopplungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl unter einem solchen Einfallswinkel auf das Gitter gerichtet wird, daß nur die — 1. Gitterbeugungsordnung einkoppelbar ist.

6. Kopplungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterperiodizität der Beziehung

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