DE2212337A1 - Kontinuierliche Kopplung einer abstimmbaren oder Breitbandstrahlung in duenne Filmwellenleiter hinein - Google Patents

Description

Priorität vom I7. März I97I in USA, Serial No. l25.O9*l·

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellenleiber-Kupplungskombination für die Verwendung dazu, den Ausbreitungswinkol für ebene IJellenfronten in einen dünnen Filmwellenleitor im wesentlichen von der Frequenz der Eingangsstrahlung unabhängig zu machen. Es handelt sich um das Kuppeln von Lichtwellen in dünne Filme hinein. Die Lichtwellenkupplung ist beschrieben worden, beispielsweise durch P.K. Tien in Journal of the OpfcLctil Society of America, Vol. 60, Seite 1325 ff (l97O); von J.E. Midwinter in dem IEEE Journal of Quantum Electronics, Band Q h6_f Seite 583 ff (I97O); und von F. Zernike und J.E. Midwinter in derselben Zeitschrift, Band 60, Seite 577; und von J.II. Harris, R. Schuberb und J.N. Policy in The Journal of tho Optical Society of America, Band 60, Seite 1008 ff

k: Frankfurt/Main 67 6J

Bank: Dresdner Bank AG, Wiesbaden, Konto-Nr. 276 007

Absicht dieser Technologie ist es, die Bindung; oder Kopplung der Hochenergieerzeugung für op ti sehe Strahlung;, din Ln Laserquellen enthalten ist, mit der Verärbei Um^; eier Infox-inationen, die Licht vorwenc¹ f, das in einen dünnen Filmwellenlüitor oingefangen wird, zu ermöglichen. Die Erfindung ist beispielsweise bei der InformafcionsiibermLttliuig, beim Einbringen von Informationen auf eine bestehende optische Trägerwelle, bei der Verstärkung? und Frequenzvoi'schiebung der in die Filme hineingegobenc.n Strahlung, bei Wechselwirkungen zwisdon Inforniations- £i trb'men, die auf optische Strahlen der Datenausbroi tungsart eingegeben worden, oder einfach bei Messungen anwendbar, die mit der optischen Strahlung in der Führung oder Lm Leiter einer gewissen Eigenschaft von optischem Wellenleiter oder seinen umgebenden !Elementen durchgeführt werden, Die Erfindung findet insbesondere eine vorteilhafte Vorwendung in Verbindung mit dieser letztgenannten Benutzung.

In der folgenden Beschreibung werden die Bogriffe der sichtbaren Strahlung verwendet, wobei Begriffe, wie z.B. "Leicht" und "optisch" verwendet werden, obwohl es .sich versteht, daß die erfindungsgenäß vorgesehen Techniken in gLeicher I/oiso auf nicht sichtbare Strahlung im ultravio Le t ton oder infraroten Spektrum durch die Auswahl geeigneter Materialien anwendbar sind, die bei solchen Wellenlängen durchlässig iiind. Zusätzlich werden die Begriffe "Broitband" und "abs t ii.inbar" hier benutzt, um die Strahlung zu beschreiben,

großen
(k'i'cn Frequenz e incn/Froquenzboreieh überspannen kann, an daß

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os nicht von -wesentlicher Konsequenz bei den Gestaltungsverfahron ist, ob dor Bereich durch die gleichzeitige Erzeugung vinlor Fre<iuenzen oder durch die Erzeugung einer ifToii, aber zcj tvariablon Frequenz abgedeckt ist.

In bisherigen Arbeiten hat man die Aufmerksamkeit auf die Kopplung einer einzigen Stralilungsfrequenz in einen dünnen Filmve 1.1 filled tor gerichtet, obwohl die Erzeugung anderer Frequenzen inn »rhalb der Wellcnloitemmgebung durch uichtliueai'o Wechselwirkung und ihi-e folgende Kopplung aus der WellenlGxtoruiugpbung in den umgebenden Raum hinein durch eine Kopplungeanlage axh in Betracht gezogen worden ist. Das Prinzip des Betriebes aUer bekannten bisher beschriebenen Vorrichtungen ist im wesentlichen ähnlich, d.h. der parallele Strahl der optischen Energie von einer einzigen Transvorsschwinger-Laserquelle, die in den dünnen Film hineinzukoppeln ist, muß durch eine innere Reflexion von der inneren Oberfläche einer Fläche mit hohem Brechungsindex reflektiert werden können. Ein gewisser Betrag der Energie jenes Strahles schneidet die Oberfläche und erscheint auX3crhalb derselben in der abklingenden Welle. Wenn die total reflektierende Oberfläche dann in die Nähe der Führungsschicht gebracht wird, beginnt das abklingende Feld die Führung zu durchdringen, und Energie kann von dem in die Führung oder Leitung einfallenden Strahl fliessen. Die innere Reflexion ist dann nur teilweise oder vereitelt. Durch Begrenzung der Oberfläche mit- dem hohen Index an flor Lan te des einfallenden Strahls ist es möglich,

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BAD C)RIGINAt.

einen großen Teil der Strahlenergie iri der dünnen führung festzuhalten. Der BegrenzUnggiteehanistnUs dieser vereitelten Totalreflexionsoberfläche weist das Element a&s als Prisma bezeichnet ist und angrenzend art die

angeordnet ist, d*h* die an die Führiingsr Leitsöhieht angrenzende Prismenöberflächo ist dicht aeir Führung angeordnet» berührt diese aber nicht, hiii kann die Öberfläfie des Prlsiaäs neben der Leite*- entweder' irai-ailel zum Leiter oder tintör einern getiissen ifiÄkel hierzu liegen, und es ist nicht wesentlich» daß es eiiie ebene Schicht ist, sondern sie kann in einigen Konstruktionen gekrümmt sein. Die Erfindung wird Jedoch ufiter Be2ugWähmo auf ein Prisma mit ebener oberfläche beschrieb-en, das mit einer verhinderten lieflexionsoberf leiche parallel zur Leiter schicht angeordnet ist _t wie iii der Zeichnung dargeäfeilt ist, da dies die einfachste Wetfisehe Art für Anälysenzweeke ist.

Me Bediägöiigen für die Mäximieruiig der

in der Führungsschicht sind wichtige¹ £wei BedingungeÄ missen erfüllt »eint 4i& eine £&i diiejenigo/ daß eine Phäsenzuordnting oder Äwiöchen dem eiiftiienden Strahl und d&i- iii de* L sofiicht erregten Welle erreicht werden titäSf was des EinfallswinkeIs des einfali^Ädien

wird; die zweite BedinguM-g söMieM sorgsame Einstellung der Größe des Spaltes awiscfce'Ä 4er

2: ö $ 8 4 0 / 0 7 4 δ _{0RIGINAL INSPECTED}

reflektierenden Oberfläche und dem Wellenleiter ein sowie die Einstellung der Begrenzung der reflektierenden Oberfläche fezüglich des Strahlquerschnittes. Beide beeinflussen die Kopplungswirksamkeit und sind in bekannten öffentlichungen diskutiert worden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung bei der Technik der Lichtwellenkopplung in dünne Filme hinein und bezieht sich insbesondere auf eine verbesserte Anordnung, vermittels deren die bekannten_Einrichtungen zum Einkuppeln einer Einzelfrequenz einer Strahlung in den dünnen Filmwellenleiter hinein derart eingerichtet werden können, daß die Einzelfrequenzquelle durch eine abstimmbare Quelle ersetzt werden kann, wie z.B. ein Farblaser oder ein optischer parametrischer Oszillator oder durch eine Breitbandquelle einer Parallelstrahlung mit einzelnem Transversschwingungstyp ohne Verlust der Gesamtkopplungswirksamkeit. Die Aufgabe der Erfindung wird ohne Zuflucht zu irgendeiner mechanischen Realisierung der ' Quelle bezüglich der Leiterschicht erreicht, was gewöhnlich bei einer konventinellen Kopplungs/Leiteranlage beim Stand der Technik notwendig gewesen wäre.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Einheit durch Befolgung der Ausbildungs- und Konstruktionsschritte aufgebaut werden, die im folgenden dargelegt werden, wobei die

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- Ci -

Einheit eine feste Quellen/Kopplerwellenleiteranlage aufweist, in der die Quellenfrequenz ein breites Frequenzband abdecken darf (beispielsweise 3 ^z"· 1 in derAuswci'tung und die eine wirksame Kopplung der E ^rgie ermöglicht, die; über diesem Band gehalten werden muß, nachdem die Anlage einmal korrekt aufgebaut und errichtet worden ist. ivine derartige Fähigkeit ist beim Stand der Technik nicht beabsichtigt worden, der statt dessen lehrt, daß die Vorrichtung eine Frequenzselektivität vorsieht, da die Phasenanpassung bei einer bestimmten Frequenz von der Verwendung eines entsprechenden Einfallswinkels auf die innere Prismenreflektionsoberflache abhält, s. z.B. belgische Patentanmeldung von P.K. Tien, Serial No. 7hh 657$ angemeldet in den Ver. Staaten von Amerika am 2h. Jan. I969 mit der Serial No. 793 696. Erfindungsgemäß wurde im Gegensatz hierzu gefunden, daß unter gewissen Umständen von dieser Tatsache bei der Konstruktion gewisser neuer und nützlicher Lichtquellenkopplungsvorrichttingen Gebrauch gemacht werden kann. Das neue Ergebnis wird durch die sorgfältige Gestaltung und Konstruktion der verschiedenen Komponenten erreicht, die den Koppler zusammensetzen. Die physikalische Ausführungsform der sich ergebenden Koppler-Wellenleiteranlage unterscheidet sich von der bekannten Anlage nicht in den meisten Beziehungen; im wesentlichen unterscheidet sie sich jedoch in der sorgfältigen Auswahl, der Aufbereitung und dem Ausscheiden des bei der Herstellung der Koppler/Wellenleiteranlage verwendeten Materials. Im allgemeinen ist die erfiiidungsgemäße

- 7 ■ - ' 209840/0749

Anlage auf elite Anordnung gerichtet * in der die £« <ä©ffi BnergleÜbertrag^tfggprog&B von der« einfäilendeö gträS.

Fifhrungswelle oder Sehwingungstyp eiflgef lös sen© passwng wesentlich ttn empfind lieh mit den wird» We Technik ist attf beliebige -Versehiedeiie' bekatmter VofPlchttmg&n anwendbar_t die in den^; öt>6 iiaiiiitert Veroffentlleiiimgen besehrieben sind* Beat* fächfreit halber wird die Beschreibttng des Standes jedoch attf eine einzige geometrische Fortfi be schränkt, die in den Figuren gezeigt ist.

Bas Bar©tf»llt£ttgöbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 1 zeigt daß d&f K&pplttiigswitikel 0 wesentlich in-Värisnt ffiit Freqiwenz der Eingangsstrahliing iiber ein breitet band getffaefei werdeft köntt* Bies kann man dttrch zwar iss ©ygtevr ίΑηί& den?- Materialien der

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i Äfilä!gje

diSffiie

ORIGINAL INSPECTED

eines Materials mit größerem Brechungsindex (index n„) ist der Substratfläche 11 überlagert. Die Schicht 12 wirkt als Führungs- oder Leiterschicht. Dieser ist ein oberer Überzug 13 überlagert, der im allgemeinen im Vergleich zu der Führungsschicht 12 relativ dick ist. Die Schicht 13 hat einen Brechungsindex n„. Zwecks Kopplung der Strahlung in den Film hinein wird ein Prisma 14 aus einem Material mit hohem Brechungsindex verwendet, das nah an die Leiterschicht 12 herangebracht wird, aber nicht in Kontakt mit dieser. Der Brechungsindex des Prismas beträgt n., der derselbe wie der der Leiterschidfc n„ sein kann. Der obere Überzug der Schicht 13 mit dem Index n_ kann Luft oder eine Flüssigkeit oder ein durch ein beliebiges bekanntes Mittel abgelegtes festes Material sein. Die Leiterschicht 12 ist beispielsweise durch Aufdampfen oder Zerstäubung aufgebracht; obwohl andere Techniken auch verwendet werden können. !fahrend auch andere geometrische Abmessungen als die in Fig. 1 gemäß der Erfindung verwendet werden können, sind die obigen wegen

TT

der bequemen erstellung bevorzugt.

Die Lichtquelle 16, beispielsweise ein Laser, ist unter einem Winkel 0 zur Leitschicht angebracht. Auf den oberen bzw. unteren Überzug 13 bzw. 11 wird Bezug genommen, ohne daß man andeutet, daß die Struktur notwendigerweise in der dargestellten spezifischen Art und Weise ausgerichtet und ausgebildet sein muß.

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eitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmb'glichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be-Schreibung im usammenhang mit der Zeichnung. Es zeigen:

-cn

Fig. 1 ein Aufriß unter Darstellung einer besonderen Ausführungsform der allgemeinen Form eines Quellen-Kopplerprismenwellenleiters gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine größere Einzelheit unter Darstellung der Wellenleiterschicht und ihrer umgebenden Elemente, um die in dieser Beschreibung verwendete Terminologie zu erklären,

Fig. 3 ein Diagramm der Winkelabweichung von dem konstanten Kopplungswinkel, wenn die beispielhafte Strahlungsquelle über das sichtbare Spektrum abgegriffen wird unter Aufzeigung, daß die Technik gemäß der Erfindung eine Vorrichtung gewährleistet, die wesentlich von der Frequenz unempfindlich ist,

Fig. h ein Diagramm der Fernfeldstrahldivergenz eines einfallenden Laserstrahls als Funktion der Wellen-

- 10 -

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- IO -

länge über das sichtbare Spektrum, wenn der höchste Kopplungswirkungsgrad zu erreichen ist, bezogen gegen die Fernfeldstrahldivergenz, die von eirem einfacher, konfokalen Resonator abgeleitet ist und

Figt 5 ein Diagramm der berechneten Kopplungsausbeute bzw. -wirkungsgrad für einen konfokalen Resonator in den dünnen Filmwellenleiter hinein, über den Frequenz-Wellenlängenbereich beobachtet und beim Bandzentrum auf null Dezibel genormt.

Um die notwendigen Bestimmungen für die Schaffung einer Wellenleiterkopplungsanordnung gemäß der Erfindung zu gewährleisten, ist es zunächst notwendig, auf dem Definitionswege die Zwangsbedingungen zu liefern, die durch den Führungs- oder Leitprozeß auf den Fortschreitungswinkel für eine Welle in der Führung bzw. in dem Leiter aufgebracht sind. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 kann eine Welle in dem Leiter 12 so betrachtet werden, als breite sie sich unter einem bei 21 gezeigten Winkel 0 zu der Leiterrichtung durch Reflektion an der oberen bzw. Bodenoberfläche 22 bzw, 23 der Leiterschicht aus. Wenn der Brechungsindex der Leiterschicht 12 n_o ist und der Brechungsindex des Kopplungsprismas 1^ n^ ist, dann sind die Winkel 0 und θ durch das Snell'sche Gesetz wie folgt in Beziehung gesetzt:

Cos θ = (η₂/η^) cos 0 (i)

209840/0749 ^ * ^¹¹"

Es ist festzustellen, daß der Kosinus anstelle des Sinus wegen der angenommenen Winkeldefinitionen erscheint.

Es ist übliche Praxis, die geleiteten Wellen in der Leiterschicht 12 und in dem oberen bzw. unteren Überzug 13 bzw. 11 in der folgenden Form für den transversen elektrischen Schwingungstyp zu definieren, in dem der elektrische Vektor rein transvers liegt und entlang der Richtung der Y-Achse liegt und rechtwinklig zu den X- und Z-Achsen (Fig. 2). Dann wird das elektrische Feld E für die drei Medien durch folgerte Formeln dargestellt:

E_y(i) = A exp (-C₁Z) (ll)

E_y(2) = B exp (-1^₂Z) + B«exp(iy.,z) (ill)

wobei gilt:

E_y(3) = C exp (B₃Z) " (IV)

A = ^kx - A ^ko

*ü = 4 ^ko - 4

^ß3 = ^kx - ⁿ3 ΐξ

fc_o = O)/c (VIII)

wo ω die Frequenz der Strahlen in Radion pro Sekunde und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Somit breiten sich alle Wellen in x-Richtung mit Exponent (-ik .x) aus und mit der· quer- oder transversen Ausbreitung in der z^Richtung, die durch die reelle bzw. imaginäre Komponente von T₂ B₁ und ß„ beschrieben ist»

2098A0/07A9 ""

Die relativen elektrischen Feldamplituden A, B, B¹ und C werden durch Angleichen der elektrischen und magnetischen Feldkomponenten an den Grenzen bzw. dadurch, daß man sie auf einen Mittelwert bringt, bestimmt, und die absoluten Werte werden aus den Energieflußbeziehu-ngen (pointing vector) erhalten, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht kritisch sind. Man fand jedoch, um einen Ausbrei tungsschwirgings typ der Führung bzw. des Leiters

zu haben, daß nur gewisse diskrete Werte der herauskönnen brextungskonstanten B^, ft _t ß_ züge las ion werdsh./ B&ese

werden aus den Lösungen der folgenden Gleichung erhalten:

2^₂d-m7T= tan"¹ (ß^y₂)+ tan"¹ (B₃/^) , (ix) wobei 2d die mechanische Dicke de^Leiterschicht ist.

Da diese Gleichung nur Lösungen für diskrete Werte von k hat, entsprechend den erlaubten Schwingungsarten der Ausbreitung des Leiters,, die durch die ganzzahligen Vielfachen von m gekennzeichnet ist, sind nur diskrete Werte von erlaubt, da

-tan 0 =(>-₂/k_x) (X)

Detaillierte Ableitungen für die obigen Ergebnisse sind bisher veröffentlicht worden, z.B. in den Veröffentlichungen von P.K. Tien oder J»E. Midwinter.

-13 "

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Die physikalische nterpretation der oben stehenden Gleichung (IX) ergibt sich leicht und unterstützt das Verständnis der Tätigkeit des Breitbandkopplers. Die linke Seite der Gleichung stellt die halbe Phasenverzögerung dar, die erlitten wird, wenn die Transverskomponente der Leiterwelle über die Dicke 2d der Leiterschicht läuft. Die zwei Begriffe auf der rechten Seite der Gleichung stellen jeweils den halben Phasenwechsel bei der inneren Totalreflexion der Leiterwelle an den oberen und unteren Grenzen der Leiterschicht dar. Somit erfordert die Gleichung nur, daß die Nettorundlaufphasenverzögerung der Welle ein ganzes Vielfaches von 2 7Γ ist, welches die geeignete Bedingung für die konstruktive nterferenz der Welle ist.

Die Ausbildaigsbolngungen für die Breitbandtätigkeiten werden durch das Suchen der Lösungen für die Gleichung (ix) oben derart erhalten, daß für einen festen, aber wahlweise gebildeten Wert der Leiterhälftendicke, d, das Verhältnis ) nicht erheblich variiert, wenn die Wellenfrequenz

verändert wird. Im Sinne der Darstellung ist ein Weg zum ■ Erhalten einer gedgieten Lösung der Bedingung das Angleichen der Differentiale bezüglich der Frequenz der linken und rechten Seiten der Gleichung (ix), nachdem man eine einfache Substitution folgendermaßen vornimmt:

K = ^kx (XI)

ⁿ2 ^ko

- 14 209840/0749

dann

tan θ = ν

(XII).

Die so erhaltene Gleichung kann dann gleichzeitig mit der Gleichung (ix) gelöst werden, um einheitliche Werte von K und d zu liefern. Die so erhaltene Größe von d liegt in der Nähe des besten Auswahlwertes für eine Breitbandtätigkeit. Somit erhalten wi^Üurch Umformen der Gleichung (IX) in Ausdrücken der Variablen K und durch Bilden der neuen Gleichung aus ihren Differentialen die zwei Ergebnisse für den TE -Schwingungstyp:

)ά/ϊ-Κ²

- tan

+ tan

-1

2 2 '> ^{Κ η}

Ix₂(I-IO

(XIII)

3ω c

,2 2/2 K"-η., /ΓίΖ

1_

η.

9η.
"3ω"

_χ 9η,Ί η7 3U

(XV)

wobei 9 das partielle Differential ist.

Die folgenden Gestaltungsverfahren werden bei der Vorbereitung des Breitband-Wellenleiterkopplers erhalten.

- 15

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Die Konstruktionsmaterialien werden so ausgesucht, daß die Brechungsindices über das interessierende Frequenzband und ihre Dispersionscharakteristiken bekannt sind, Es ist notwendig, sicherzustellen, daß zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist (und vorzugsweise beide), damit Gleichung (XIV) eine physikalische Lösung bringt:

f ι ^ng \ ·

und/oder SjT ^/'Vn ^ J (XVl)

Wenn nan dies getan hat, können die numerischen Werte für die ausgewählten Materialien für die Substratfläche 11, den Leiter 12 und den oberen Überzug 13 in die Glei-» chungen (XIIl) und (XIV) eingesetzt werden, um die Beziehung zwischen K und d zu erhalten» Diese Gleichungen können gleichzeitig (äußerst leicht auf grafische Weise) gelöst werden, um einheitliche Werte für K und d zu erhalten, die eng denjenigen für den Breitbandbetrieb entsprechen, da sie den Aufbau in erster Ordnung mit der Frequenz gleichbleibend machen. Erfindungsgemäß fand man in der Praxis, daß man besserte Werte durch die Lösung der Gleichung (Xlll) oder gleichwertig der Gleichung (ix) erhält, um exakte Werte des Schwingungstypauitbreitungswinkels 0 bei einer Vielzahl von Frequenzen und für eine Vielzahl von Dicken im Bereich um den Wert d herum zu

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erhalten, wie oben abgeleitet. Der bessere Wert von d wird dann durch Betrachtung der Daten ausgewählt, um den. am meisten konstanten 0-Wert für das in Betracht gezogene Band zu liefern. Dies bringt genauere Ergebnisse, da hierbei keine Näherungen bei Außerachtlassung höherer Differentiale eingeschlossen sind, die in der Praxis kleine, aber erhebliche Werte beitragen.

Das obige Verfahren läßt den Näherungswert der Leiterdicke für den Breitbandbetrieb dadurch ableiten, daß man annimmt, daß das Prisma aus demselben Material aufgebaut ist wie die Leiterschicht. In diesem Falle ist n^ = n₂ und Q = 0. In dem Fall, daß ein unterschxedliches Material ausgewählt ist und in diesem das Verhältnis η·/η~ nicht um einen grossen Wert über die zu studierenden Bandfrequenzen sich ändert, dann kann das obige Gestaltungsverfahren wiederholt werden, indem zu Anfang für konstantes φ und dann die Gleichungen (IX), (x) und (XIIl) gelöst werden, um Werte für 0 zu erhalten. Die beste Wahl der halben Leiterdicke für konstantes 0 kann durch Prüfung erhalten werden, aber sie ist nicht wesentlich unterschiedlich von der für den Fall, daß n^=iip ist wie oben.

Wo das Verhältnis n./n_ sich um einnn größeren Wert über das in Betracht gezogene Frequenzband verändert, ist die best ausgewählte Leiterdicke wahrscheinlich auch, beachtlich von dem durch die gleichzeitige Lösung der Gleichungen

- 17 2 09 8 A 0/0.7 49.

> 17 -

(XIIl) und (XIV) abgeleiteten Wert abzuweichen.

Das vorgenannte Konstruktionsverfahren ist für den elektrischen Querschwingungstyp der Leiterausbreitung beschrieben worden. Man kann jedoch direkt eine Anwendung für den transversen magnetischen Fall auch dadurch vornehmen, daß man die folgenden Änderungen macht:

In den Gleichungen (il), (Hl) und (IV) wdxd Β_γ, das m_ag-

F
netische eld, für E eingesetzt, das elektrische Feld durch Felddefinitionen. Die Gleichung (ix) wird dann:

-1

η 2
3

(XVII)

Dann werden die Gleichungen (XIIl) und (XIV): für den transversen oder quermagnetischen Schwingungstyp:

d= tan
^Ύ2

tan

/ 2_V2 2

/2 "P

V n^il-K²:

(XVIII)

2,,2 2,
₂K- -n..

„2. 4 4. 2.2 2,

K (η_η-η )-η. (η ~η,.)

3η,

3η.

π-, 3ω

(XIX)

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Das Konstruktionsverfahren hiernach wird verwende^ mit der Ausnahme, daß die Gleichungen (XVIIl) und (XIX) an die Stelle der Gleichungen (XIIl) und (XIV) substituiert v/erden. Die Bedingungen der Gleichungen (XV) und (XVl) müssen noch erfüllt sein, aber eine zusätzliche Bedingung ist bezüglich der zu verwendenden Materialien gegeben, nämlich

^ ) und/oder n_o>( v/ln_o) (XX)

Diese Bedingung folgt der Notwendigkeit, eine physikalische Lösung für die Gleichung (XIX) zu erhalten.

Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, werden die Materialparameter in die Gleichungen (XVIIl) und (XIX) eingesetzt, und die sich ergebenden Beziehungen zwischen K und d werden gleichzeitig für spezifische K- und d-Verte gelöst. Die abschließende Optimierung wird durch eine genauere numerische Lösung der Gleichung (XVII) oder (XVIIl) ausgeführt unter Verwendung von Brechungsxndexdaten über das gesamte Frequenzband wie oben. Bei einer Wiederholung des schon beschriebenen Verfahrens kann auch der Fall eines unterschiedlichen Prismenmaterials zum Leitermaterial in Rechnung gestellt werden.

Die physikalische Tätigkeit des Breitbandkopplers hängt von der Konstanthaltung der Rundlaufphasenverzögerung für eine Welle ab, die sich in dem Leiter ausbreitet, wenn die Wellenfrequenz variiert wird. Da ^₂ schon direkt proportio-

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nal zur Frequenz ist_s erkennen wir, daß die linke Seite der Gleichung (ix) oder (XVIIl) für die Wellenleiterphase oder denÄchwingungstyp scharf von der Frequenz abhängt» Dies wird dadurch ausgeglichen, daß man die rechte Seite der Gleichungen stark von der Frequenz abhängig macht, daß man den Wellenleiter nahe dem Grenzwert der inneren Totalreflexion betreibt. Es verstellt sich, daß dann die rhasenveränderung auf die innere Reflexion eine sehr scharf ' sich verändernde Funktion entweder des Einfallswinkels oder der jeweiligen Brechungsindices der Medien wird. Zur ausführlicheren Darlegung dieser Funktion wird Bezug auf die Foundamentals of Optics, F.A. Jenkins u. H.P. White, Kap. 25, Seite 515f 3· Ausgabe, McGraw-Hill (New York) 1957 genommen. Es ist somit durch die hier beschriebenen Techniken möglich, die Phasenwechselverzögerung beim Durchlaufen des Leiters durch einen Wechsel in der Phasenschiebung auf der Reflexion auszugleichen, die durch di-e Disp/fersion der verwendeten Materialien, wenn sich die Frequenz verändert, herbeigeführt ist.

Man erkennt somit, daß ein Breitbandkoppler gemäß den oben gegebenen Anleitungen aufgebaut und konstruiert worden kann. Es ist bemerkenswert, festzustellen, daß eine ziemlich genaue Steuerung der Variablen bei allen Schritten oder Stufen gegeben soin muß, wenn eine gute Durchführung erhalten werden soll. Es ist wichtig, nicht Jiur Materialien zu verwenden, dorcui Indices denjenigen entsprechen, die in der

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Konstruktion verwendet werden, sondern zu erkennen, daß die Brechungsindices viele Materialien nach der Verdampfung oder dem Zerstäuben in eine dünne Schicht hinein unterschiedlich sind im Vergleich zum Gesamtmaterial. Wenn dies der Fall ist, ist es wichtig, Brechungsindexdaten zu verwenden, die mehr diejenigen des abgelagerten Materials darstellen als die des Materials in seiner Hauptmasse. Es ist ebenfalls wichtig, eine genaue Steuerung bzw. Kontrolle der Dicke der durch Verdampfen oder auf andere Weise aufgebrachten Leiterschicht zu halten. Um den Erfindungsgedanken und die Art der Erzeugung des Erfindungsgegenstandes vollständiger darzulegen, wird das folgende Beispiel gegeben, in dem ein besonderer Fall geprüft wird, um die möglichen Durchführungseigenschaften zu bestimmen.

Beispiel

Brechungsindexgrößen für zwei Materialien zur jeweiligen Darstellung des Prismas und des Leiters für einen und die zwei Überzüge für den anderen werden ausgewählt. Die verwendeten Ergebnisse oder Größen werden aus dem "Schott Optical Glasä*-Katalog vom 1. Januar 1971 genomnen, der veröffentlicht ist von Schott Optical Glass Inc., Duryea, Pennsylvania 18642, wo die Brechungsindices für einen weiten Bereich von Glasen über einen nützlichen Wellenlängenbereich in Form von Listen angegeben sind. Die zwei ausgewählten Gläser haben einen hohen Brechungsindex, eine hohe Dispersion (SF6) bzw. die niedrige Brech-

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zahl, niedrige Dispersion (FK %0) für den Leiter bzw.
den Überzug. Es können selbstverständlich nur Gläser
bei der Konstruktion verwendet werden; sie werden rein
ausgewählt, da die inden Tabellen angegebenen Daten leicht erhältlich sind. Diese Daten werden für die Gestaltung
eines Breitbandleiters/Kopplers für den TE -Schwingungstyp durch die oben dargelegten Techniken verwendet. Das ¥ellenlängenband von 1,01 Mikron bis 0,48 Mikron wurde
geprüft, wodurch man den sichtbaren Bereich des Spektrums abdeckt.

Aus der gleichzeitigen Lösung der Gleichungen (XIIl) und (XIV) ergibt sich ein Wert für d von 0,04 Einheiten, wobei die Längeneinheit in Größen einer Wellenlänge bei 0,5893 Mikron erklärt war, d.h. d gleich 2,36 χ 10 cm. Beim·
Löarm der Gleichung (ix) allein für die Vielzahl der Wellenlängen und Dicken in diesem Bereich fand man, daß für das in Betracht gezogene Band ein besserer Wert für d 0,044-7 Einheiten war (d = 2,63^ x 10*" cm). Unter Verwendung dieses Wertes für d wurden die Werte des Winkels 0 bei jeder der über dem Band in Betracht gezogenen Wellenlängen ausgerechnet sowie der Winkelfehler in dem Kopplungswinkel, bestimmt als Wert von 0 bei der Wellenlänge minus dem Wert von 0 bei 0,5893 Mikron. Das Ergebnis dieser Schätzung
ist in Fig. 3 gegeben, die darstellt, daß innerhalb 0,01 Graden der Kopplungswinkel konstant ist. Für diesen Fall wurde eingenommen, daß n^ = n„ ist.

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Die Wirkung der Abweichungen von der theoretischen Gestalt oder Konstruktion in den Brechungsindices der verwendeten Materialien und auch in der Dicke der abgelagerten Leiterschicht wurde numerisch geprüft. Das Ergebnis dieser Analyse besteht darin, daß für den Kopplungswinkel 0 ohne Änderung über mehr als 0,001 Radians über einen sichtbaren Wellenlängenbereich die Dicke der Schicht bis etwa 5 /° gesteuert bzw. .kontrolliert werden muß und die Brechungsindices der verwendeten Materialien bis etwa 0,005 genau sein müssen; diese beiden Werte liegen innerhalb des Kontrollbereiches durch die-vorliegende Technologie,

Die Wirkung eines sich weit verändernden Frequenzbereiches auf den Energiekopplungswirkungsgrad des dünnen Filmleiter/ Kopplers wurde auch geprüft, und es ist gezeigt worden, daß für einen maximalen Kopplungswirkungsgrad es notwendig ist, die Fernfeldstrahldivergenz eines Einzel-transversschwingungstyplaserstrahls zu verändern, der in das Kopplerprisma eintritt, und zwar entsprechend der graphisch in Fig. h gezeigten Beziehung. Durch die Verwendung des von einem festen konfokalen Resonator genommenen Strahls und der diesem zugeordneten Strahldivergenzveränderung ist gezeigt worden, daß ohne jede weitere Korrektur eine Veränderung des Kopplungswirkungsgrades von nicht mehr als 2 dB über dem sichtbaren Band, wie in Fig. 5 gezeigt ist, erwartet wird. Eine flachere Energiekopplungscharakteristik könnte durch die Verwendung strahlbildender Optiken erhalten worden.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   ( 1 J Yellenleiter/Kopplerkonibination für die Verwendung dafür, daß der Ausbreitungswinkel für ebene ¥ellenfronten in einem dünnen Filmwellenleiter im wesentlichen von der Frequenz der Eingangsstrahlung unempfindlich wird, die über ein ausgewähltes Frequenzband, wie z.B. ein 3-1-Band verbreitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht mit hohem Brechungsindex (n ) zwischen umgebende Elemente mit zwei kleineren Brechungsindices (1I₁) und (n„) angeordnet ist, wobei n.., n_ und n„ eine solche Beziehung haben, daß die Summe der Veränderungsraten mit der Frequenz der Phasenschiebung auf innerer Totalreflektion an den Leiterschicht-n_-Grenzen für einen konstanten Einfallswinkel negativ ist und die Dispersionen der Indices zumindest einer der durch folgende Formeln dargestellte Ungleichungen genügen:

   1 /WN

   ⁿ2 \ d« /

   (n) -JL· (*2L

   η.

   äiü

   η.

   (τ3γ)

   partielle Differentiation bezüglich der Frequenz darstellt, ausgedrückt in Radians pro Sekunde ) ;

   wobei die Indices und ihre Dispei'sionen beim Zentrum des ausgewählten Betriebsfrequenzbandes geschätzt sind; und daß für den transversen magnetischen Schwingungstyp der Ausbreitung die Indices n₁, n₂, η mindestens einer der folgenden Ungleichungen genügen:

   209840/0749

   -zh-

   (III) n₂ > VF (H₁)

   (IV) η₂>\/Τ(η₃);

   und daß die Dicke der Leiterschicht mit dem Index n_? derart ist, daß für den Ausbreitungsschwingungstyp die Phasenwechselschiebung für die durch den Leiter laufende Welle wie die Frequenzveränderungen wesentlich durch die Veränderung in der Phasenverschiebung auf die 'Totalreflektion an den Grenzen der Leiterschicht ausgeglichen wird, -wobei der Ausgleich dieser relativen Phasenschiebungen über dem ganzen für den Betrieb erwünschten Fre-(j-i enzband bewirkt wird.
2. 2. Wellenleiterkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ungleichungen der Formeln (i) und (il) erfüllt werden.

   3· Wellenleiterkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide durch die Formeln (υ) und (iv) dargestellten Ungleichungen erfüllt sind.

   Jf. Wellenleiterkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Formeln (i) bis (iv) dargestellten Ungleichungen erfüllt sind.

   5· Verfahren zum Koppeln eines räumlich kohärenten Strahls einer breitbandigen parallelen Strahlung in einen Wellenleiter hinein, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung

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   vermittels eines Prismas in einen Wellenleiter eingeführt wird, der nach Anspruch 1 aufgebaut ist, wobei das Prisma aus einem Material mit einem Brechungsindex n^ derart aufgebaut ist, daß das Verhältnis n„/nr im wesentlichen über das Betriebsfrequenzband konstant bleibt, und daß das Prisma in der Nähe angeordnet wird.

   209840/0749

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