DE2439295A1

DE2439295A1 - Optischer wandler

Info

Publication number: DE2439295A1
Application number: DE2439295A
Authority: DE
Inventors: Burn Jeng Lin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-09-20
Filing date: 1974-08-16
Publication date: 1975-03-20
Also published as: GB1446499A; JPS5057645A; US3877784A; FR2245046B1; FR2245046A1

Description

Böblingen, den 14. August 1974

Anraelderin. International Business Machines

Corporation, Armonk, rl.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin. YO 972 112

Opjtiscner Wandler

Die Erfindung betrifft einen optischen Wandler mit hohem Auflösungsvermögen zur Fokussierung von Licht auf einen relativ zu ihm jjev/egten optischen Aufzeichnungsträger.

Stand der Technik

Auf vielen Gebieten der Technik, insbesondere auf den Gebieten dsr Datenübertragung und Datenverarbeitung .werden sehr feine Sonden benötigt, mit denen man sehr fein strukturierte Objekte oder vluster mit großer Genauigkeit abtasten kann. So werden in letzter Zeit optisch oder magnetisch mit hoher Dichte gespeicherte Daten mit Hilfe scharf fokussierter Lichtstrahlen mit großer Geschwindigkeit abgetastet. Besonders hohe Auflösungsvermögen v/erden dabei mit sogenannten integrierten optischen Systemen erzielt, bei ,denen Dünnschichtwellenleiter mit Scrfchtdicken in der Größenordnung von Wellenlängen des zu übertragenden Lichtes verwendet werden. Von besonderer Wichtigkeit ist dabei das Fokussieren des Lichtes in den Wellenleitern. Es wurde schon vorgeschlagen, fokussierende Elemente durch Einfügen oder Erzeugen von Bereichen zu erzeugen, deren Wellenleiterindices von den Wellenleiterindices der übrigen dünnen Schichten verschieden sind. Änderungen des Wellenleiterindexes können durch Änderungen der Schichtdicke, des Brechungsindexes oder durch aus anderen Material bestehende überzüge bewirkt werden. Der Nachteil dieses Vorschlags besteht

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darin, daß die erzielbaren Änderungen des Modenindexes sehr klein sind und daß Linsen mit großem Auflösungsvermögen auf diese ?;eiso nicht hergestellt werden können. Nach einem anderen Vorscul?rf werden fokussierende Elemente durch Erzeugung einer Einbuchtung oder einer Ausbuchtung in der Substratoberfläche hergestellt. Das Auflösungsvermögen von nach diesem Vorschlag hergestellten ulementen ist aber nur etwa gleich dem Auflösungsvermögen von -¹VZeI-lenleiterindexlinsen".

Die zum Auslesen mit Hilfe eines Lichtstrahls vorgeschlagenen Lese-Schreib -, oder Permanent-Speichermedien bestehen beispielsweise aus magnetooptischen Materialien, wie MnBi, LInGaGe, MnAlGe, EuO, aus amorphen Halbleitern, wie AsTeGe, ferroelektrisca-ohotoleitenden MehrSchichtstrukturen, photochromen Schichten, Silberhalogeniden und dergleichen. Es war bisher jedoch schwierig. optische Systeme mit den dazugehörigen mechanischen Strukturen herzustellen, die gegenüber den bekannten Magnetspeichervorrichtungen genügend Vorteile aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, mit Magnetbandeinheiten in Aufzeichnungsrichtung Dichten bis zu 800 Bit je Millimeter zu erzielen. Es ist damit zu rechnen, daß innerhalb des nächsten Jahrzehnts wesentlich höhere Bitdichten mit Magnetaufzeichnungssystemen verwirklicht werden können.

Eine der wesentlichen Begrenzungen von optischen Speichersystemen ist das Auflösungsvermögen, da Linsen mit großen Bildfeldern und guter Auflösung außerordentlich kostspielig sind.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kopf oder einen Wandler zur Verwendung in optischen Speichersystemen anzugeben, der bei hohem Auflösungsvermögen nicht so kostspielig wie die konventionellen Linsensysteme ist. Diese Aufgabe soll in beson ders einfacher und wenig kostspieliger Weise mit Hilfe eines integrierten optischen Schreib-Lese-, oder eines Permanentspeicher kopfes gelöst werden, der aufgrund seines hohen Auflösungsver-

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BAD ORIGINAL
COPY

laögcns optische Speicher mit höheren Bitdichten ermöglicht, als sie bisher mit wirtschaftlich vertretbaren Anordnungen erzielt werden konnten.

niese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung rjelüst.

Vorteile

ueiudß der Erfindung wird die hohe Auflösung der Nahfeldbeugung an einen Spalt oder am Equivalent eines Spaltes ausgenützt. Mit den zur Verwirklichung der Erfindung benutzten Spaltoptiksystemen können in relativ einfacher VJeise und bei geringen konstruktiven Aufwand Punkte mit einem Durchmesser von 0,41 λ erzeugt werden. Oer Spalt fliegt, ähnlich wie ein Magnetkopf, über dem Aufzeichnungsträger und ermöglicht Bitdichten von 3 000 Bits je Ilillimeter in Richtung der Aufzeichnungsspur. Da angenommen werden kann, daß die verwendeten Technologien sich auch auf kürzere Wellenlängen erstrecken, ist zu erv/arten, daß noch größere Bitdichten verwirklicht v/erden können. Ein als Lese- und/oder Schreibkopf dienender Wandler gemäß der Erfindung, besteht im wesentlichen aus drei Teilen. 1. einem Beleuchtungsteil, 2. einem Koppelteil und 3. einen Fokussierteil.

Diese drei Teile können zu einer einzigen optischen Struktur integriert sein, die gemäß den bei der Herstellung integrierter Ilalbleiterschaltungen verwendeten Verfahren hergestellt wird. Bei einer vollständig integrierten Struktur kann beispielsweise ein integrierter Halbleiterlaser an den optischen Wellenleiter gekoppelt sein, der vor dem Spalt oder dem Equivalent eines Spaltes liegt. Es ist aber auch möglich, die Beleuchtung durch eine selbständige Lichtquelle zu bewirken, die mit der integrierten Wandlerstruktur gekoppelt ist. Die Ankoppelung an die Wandlerstruktur kann beispielsweise durch Endbeleuchtung, Prismen, reflektierende oder beugende Gitter oder bragg'sehe Beugungsgitter verwirklicht werden. Die Ankopplung des Beleuchtungsteils an den B'okussiorteil kann beispielsweise durch einen dünnen Schlitz YO 972 112

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COPv

oder durch sich verjüngende elektrische oder metallische Kopplungselemente erfolgen. Das Fokussieren kann aber auch durch einen Stapel enger schlitze oder durch dielektrische oder metallische Wellenleiter (breite Schlitze) erfolgen. Der als Schreib- und/oder Lesekopf ausgebildete Wandler kann ein einziges fokussierendes Element oder eine Mehrzahl von fokussierenden Elementen enthalten, wobei die Steuerung des Strahls durch akustische Steuermittel erfolgt. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß praktisch keine Abnutzung auftritt und die Herstellungskosten durch Verwendung integrierter Bauteile weitgehend herabgesetzt werden.

Erläuterung der Erfindung Die Erfindung wird anhand der Fign. 1 bis 14 näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Wandler gemäß Fig. 1 mit einer äußeren

Beleuchtungsquelle und einem Kondensorlinsensystem,

Fig. 3 einen Wandler gemäß Fig. 1 mit einem integrierten Halbleiterlaser als Beleuchtungsquelle,

Fig. 4 einen Wandler gemäß Fig. 1 mit einer äußeren

Beleuchtungsquelle und einem Kondensorlinsensystem mit Ankoppelung an einen integrierten Wellenleiter,

Fig. 5 eine andere Ausführungsform der in Fig. 1

dargestellten Vorrichtung mit einer äußeren Beleuchtungsquelle und einer Kondensorlinse, jedoch mit einem kölnischen Kopplungselement,

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Fig. 6 eine andere Ausführungsform der in Fig. 5 darge

stellten Vorrichtung mit einem konischen Metallkoppelelement ,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung mit einer Vielzahl von breiten Spalten und einer akustischen Vorrichtung zur Steuerung des Strahls zwischen den einzelnen Spalten,

Fig. 8 eine gegenüber der Darstellung nach Fig. 7

abgeänderte Vorrichtung ohne Trennung der fokussierenden Spalte,

Fig. 9 ein gegenüber der Darstellung nach Fig. 7

abgeänderte Vorrichtung mit getrennten dielektrischen Wellenleitern,

Fig. 10 eine gegenüber der Darstellung nach Fig. 7 abgeänderte Vorrichtung mit.nichtgetrennten dielektrischen Wellenleitern,

Fign. 11 bis 14 andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen

Wandlers.

Die Gesetzmäßigkeiten der Beugung sind bekannt.

Die Ableitung der Formel für die Nahfeldbeugung eines unendlichen Spaltes wird beispielsweise in einem Artikel von B. J. Lin, "EM Near-Field Diffraction of a Medium Slit", J. Opt. Soc. An. 63, 976 (1972) beschrieben. In diesem Artikel wird die Vermutung ausgesprochen, daß spaltoptische Systeme für hohe Auflösungen bei Kontakt- oder nahezu Kontaktdruckverfahren verwendbar sind. Zur Veranschaulichung der Vorteile des Auflösungsvermögens von spaltoptischen Systemen werden in der folgenden Tabelle I eine Reihe von berechneten Werten aufgelistet. In dieser Tabelle ist

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W die Spaltbreite und ζ der Abstand vom Spalt. Die Intensität ist das Quadrat der Amplitude des transversalen elektrischen Feldes im bezug auf die Einheitsintensität einer ebenen Welle eines senkrecht einfallenden Strahles. Halbenergiebreite ist der Abstand zwischen den Punkten, in denen die Intensität die Hälfte der Spitzenintensität bei gleichen ζ aufweist, und

1 dl
I dx

HPW

ist ein Maß für die Neigung der Beugungskurven

in den Halbenergiepunkten, die angibt, ob eine gute Deffinition der Abbildung mit vertretbarem Toleranzen der Belichtungsgenauigkeit erzielt werden kann. Obwohl für jedes Aufzeichnungsmaterial charakteristische Werte bestimmt werden müssen, kann man doch mit einiger Sicherheit annehmen, daß eine gute Bilddefinition gewährleistet ist, wenn der Wert der Neigung der Beugungskurven größer als 2 ist.

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TABELLE

Spalt allein

0,75
0,75
0,75
0,75
0,75
0,75

1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3

2,35
2,35
2,35
2,35
2,35
2,35
2,35
2,35
2,35
2,35
2,35
2,35
2,35

(λ)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

0,0

0,1

0,2

0,3

0,35

0,4

0,5

0,6

0,0

0,5

1,0

1,2

1,3

Ir4

1,5

1,55

1,60

1,70

1,80

1,90

2,0

Intensität auf der Achse	Halbenergie breite (λ)
2,57	0,41
2,36	0,41
2,01	0,44
1,68	0,50
1,41	0,58
1,20	0,67
1,41	1,17
2,09	0,6
2,49	0,48
2,637	0,468
2,639	0,474
2,61	0,48
2,55	0,50
2,32	0,55
1,42	0,77
0,51	1,61
1,79	1,63
2,07	0,75
2,15	0,74
2,21	0,74
2,237	0,756
2,244	0,764
2,247	0,772
2,242	0,792
*2225**	O_f8l6
2,20	0,84
2,17	0,87

dx

HPW 2

7,19 7,03 6,27 4,93 . 4,53 3,78

12,5
2,39 5,55 6,00 6,00 5,92

• 5,81 5,14

1,54 5,14 1,67 2,72 3;O8 3,28 3,42 3,44 3,46 3,47 3,26 3,26 3,22

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Aus der obigen Tabelle ergibt sich, daß eine 0,41 λ-Abbildung (4. Spalte von links) mit einem 0,75 λ-Spalt (I. Spalte) in einem Abstand von 0,1 λ (2.Spalte), oder eine 0,44 λ-Abbildung in einem 0,2 λ-Abstand erhalten werden kann. Wirklichkeitsnäher wäre ein 1.3 λ-Spalt, der eine höhere Intensität (3.Spalte), einen längeren Brennpunkt (2. Spalte) und eine größere Schärfentiefe unter Inkaufnahme eines Verlustes an Auflösung erbringt, d.h., eine 0,48 λ-Abbildung kann in einem Abstand von 0,2 λ bis 0,4 λ vom Spalt mit einer Spitzenintensität von 2,64 erzielt werden. In allen diesen Fällen ist die Punktgröße kleiner als der Spalt, wobei der Punkt in einem Bereich liegt, der mit herkömmlichen optischen Systemen nicht verwirklicht werden kann. Wird die Anforderung an die Auflösung bis auf Werte von 0,8 λ herabgesetzt, so liefert ein 2,35 λ-Spalt einen Brennpunkt von 1,5 bei einer Schärfentiefe von 0,5 λ und einer Spitzenintensität von 2,47.

Wird eine Linse mit einer großen numerischen Apertur (NA) anstelle eines Spaltes verwendet, so wird ihre Halbenergiebreite auf 0,5 λ/ΝΑ geschätzt. Es wird daher für ein Bild mit 0,5 λ eine Linse mit einer Einheit NA benötigt, was theoretisch möglich aber praktisch kaum durchführbar ist. Für eine 0,8 λ-Abbildung wird eine numerische Apertur von 0,625 benötigt. Derartige Linsen sind außerordentlich kostspielig und verursachen in der Praxis eine Reihe von Schwierigkeiten, beispielsweise eine Verschiebung der Polarisation oder dergleichen.

Andererseits kann eine Linse mit einer kleinen numerischen Apertur mit einem Spalt kombiniert werden, um bei Lichtquellen deren emittierender Bereiche wesentlich größer als der Spalt ist, die Energiedichte des einfallenden Lichtes zu vergrößern. Berechnungen zeigen, daß ein 0,3 λ-Spalt die Intensität einer konvergierenden zylindrischen Welle mit einer numerischen Apertur von 0,343 um den Faktor 2 vergrößern kann, so daß eine Halbenergiebreite von 0,496 λ in einem Abstand von 0,3 λ vom Spalt erzielt werden kann. Die Intensität der einfallenden Welle ist in diesem Fall

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20 mal höher als ohne Verwendung einer Linse.

Spaltoptische Vorrichtungen sind in den bekannten magnetischen Aufzeichnungsvorrichtungen überlegen. Eine 0,8 λ-Abbildung entspricht bei Verwendung einer Strahlung mit einer Wellenlänge von λ = O_f843 einer Bitdichte von 1500 Bit pro Millimeter. Der Spalt fliegt in einer Höhe von 1,5 λ = 12 500 A* über der Platte., Für eine 0,41 λ-Abbildung beträgt die Speicherdichte 3 000 Bit pro Millimeter. Bei einer Entwicklung der Technologie in Richtung auf kürzere Wellenlängen können diese Leistungen noch verbessert werden.

Die Strahlungscharakteristik am offenen Ende von metallischen Wellenleitern wurden untersucht und dabei festgestellt, daß für das TE .-Mode ein 0,75 λ ebener Wellenleiter einen 0,44 λ-Punkt in einem Abstand von 0,2 λ vom Ende liefert, während ein 1,5 λ-Wellenleiter einen 0,68 λ-Punkt in einem Abstand von 0,3 λ vom Ende liefert. Ein 2 λ-Wellenleiter für ebene Wellen liefert einen 0,86 λ-Punkt mit einer Entfernung von 0,6 λ vom Ende. Beim transversalen elektrischen Mode (TE) liegt der elektrische Feldvektor im Spalt in der durch den Pfeil a in Fig. 1 angegebenen Richtung. Die Fortpflanzungsverluste in einem echten rechteckigen Wellenleiter, der einen guten Leiter mit einer Reflektivität von 0,96 aufweist, wurden geschätzt. Ein die Abmessungen von 1,5 λ zu 7,5 λ aufweisender metallischer, luftgefüllter Wellenleiter, der im TE-.-Mode arbeitet, hat einen Dämpfungskoeffizienten von 0,1 pro Wellenlänge. D.h., daß eine Leiterlänge im Bereich von 10 Wellenlängen verwendet werden kann, um Spalte mit nur Bruchteilen von Wellenlängen betragenden Breiten zu ersetzen. Im Gegensatz zu den TM-Moden, (transversale magnetische Mode die ebenso in Richtung des Pfeiles a verlaufen) die am offenen Ende stark reflektiert werden können, beträgt die Reflektion der TE-Moden weniger als 2Q %.

In Fig. 1 wird ein Wandler dargestellt, der einen .integrierten Schaltkreis mit einem metallischen Wellenleiter aufweist. Ein

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Teil des Substrats 101, das aus einem dielektrischen Material mit einem Brechungsindex besteht, dient als ebener dielektrischer Welleneleiter. Das Substrat kann beispielsweise aus Glas mit einem Brechungsindex von 1,5 oder weniger bestehen. Das dielektrische Material des Wellenleiters kann beispielsweise aus Tantalpentoxid (Ta₂O₅) mit einem Brechungsindex von 2,2 und mit Verlusten von 1 bis 4 dB/cm oder aus einem polymerisieren Organosilikon mit Verlusten von 0,o4 dB/cm bestehen. An einer Seite des Wandlers ist eine monochromatische Lichtquelle oder ein Koppelelement 103 angeordnet, dem auf der Achse des Wandlers eine Kondensorlinse 104 folgt. Die Lichtquelle bzw. das Koppelelement ist in Fig. 1 schematisch dargestellt und kann entweder eine interne oder eine äußere Quelle sein. Die Linse 104 kann beispielsweise mit von der Herstellung integrierter optischer Elemente bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Erzeugung einer Einbuchtung oder einer Ausbuchtung. Die eingebuchteten oder ausgebuchteten Bereiche haben zweckmäßigerweise eine sphärische Form. An der anderen Seite wird auf dem Substrat 101 ein guter Leiter 105 angebracht. Dieser Leiter weist einen oder mehrere luftgefüllte Spalte auf. Der erste dieser Spalte 106 liegt senkrecht zur Wandlerachse und bildet eine dünne metallische Abschlußwand am Ende der Kante des dielektrischen Wellenleiters 102. In dieser Endwand befindet sich ein Spalt 107. Das bei 103 eingeführte Licht wird mit Hilfe der Linse 104 auf den Spalt 107 fokussiert. Ein schmaler Spalt 108 ist senkrecht zum Spalt 106 in Richtung der Achse des Wandlers angeordnet und auf den Spalt 107 ausgerichtet. Die kleinste Abmessung des Spaltes 108 ist die Spaltbreite. Der Spalt 107 fokussiert das Licht auf den Spalt 108. Die Ausnehmungen oder Spalte des Leiters 105 können beispielsweise mit Hilfe von Elektronenstrahlen zusammen mit Richtungsätzung, oder durch Galvanisieren erzeugt werden. Der Wandler ist in bezug auf eine magnetooptische Aufzeichnungsplatte, beispielsweise auf die in Fig.14 dargestellte Platte 143, so ausgerichtet, daß die größere Abmessung dieses Luftspaltes 108 auf eine Radiusline der Platte ausgerichtet ist. D.h., daß die relative Bewegung der Aufzeichnungsspur in Richtung der kleineren Abmessung des Spalts erfolgt, wie das in

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den einzelnen Figuren durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet ist.

In Fig. 2 wird ein der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ähnlicher Wandler wiedergegeben, bei dem eine äußere Lichtquelle vorgesehen ist. Bei dieser Vorrichtung weist der Wellenleiter ein aus einem Beugungsgitter bestehendes Koppelelement 103 auf und die Einbuchtungslinse 104 ist im Substrat 101 integriert. Das Koppelelement 103 wird durch eine Lichtquelle 109 beleuchtet, die beispielsweise aus einem Galliumasenidlaser und einer Kollimatorlinse 110 besteht. Das Koppelelement 103 ist auf der oberen Fläche des dielektrischen Wellenleiters angebracht.

Das Licht kann aber auch nach einem anderen Verfahren in den , Wellenleiter 102 eingekoppelt werden. So ist es beispielsweise möglich, das Licht in den optischen Wellenleiter 102 mit Hilfe eines an der unteren Fläche des Wellenleiters angeordneten Gitters einzukoppeln. Die Einkopplung des Lichtes kann aber auch durch ein dickes braggsches Beugungsgitter erfolgen, das sich entlang der einen Oberfläche der dielektrischen Schicht erstreckt. Die Einkoppelung des Lichtes in den Wellenleiter 102 kann weiterhin durch die verteilte Wirkung eines gedämpften Feldes einer Lichtquelle in einem Prisma mit interner Reflexion erfolgen, das so nahe an der dielektrischen Schicht liegt, daß die interne Reflexion teilweise gestört wird.

Der erfindungsgemäße Wandler kann als vollständig, integrierte Vorrichtung, wie in Fig. 3 dargestellt, ausgebildet sein, in der gleiche Bezugszeichen für in den einzelnen Figuren dargestellte einander entsprechende oder einander gleiche Teile verwendet werden. In diesem Fall ist die Lichtquelle 103 ein integrierter Halbleiterlaser, der beispielsweise als GaAs Grenzschichtlaser 113 ausgebildet ist. Es kann sowohl ein einzelner Laser als auch eine Lasergruppe verwendet werden. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur der dielektrische Wellenleiter 102, der Spalt 107 und der Metall-Wellenleiter 108 in das Substrat integriert. In diesem Fall erfolgt die Beleuchtung durch eine

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getrennte Lichtquelle 114, die beispielsweise als GaAs Laser ausgebildet sein kann. Das Licht wird mit Hilfe einer Linse 115 auf das eine Ende des dielektrischen Wellenleiters 102 fokussiert um auf diese Weise eine Einkoppelung zu bewirken. Auch in diesem Fall können verschiedene Verfahren zum Einkoppeln verwendet werden.

Der in Fig. 1 dargestellte Spalt kann, wie in den Fign. 5 und 6 dargestellt, auch durch einen konischen Wellenleiter ersetzt werden. Bei der Vorrichtung nach Fig. 5 wird ein konisches dielektrisches Koppelelement 116 durch einen Laser 114 über eine Linse 115 beleuchtet. Das dielektrische Koppelelement 116 ist mit einem vertikalen dielektrischen Wellenleiter 117 verbunden. Das Koppelelement 116 und der Wellenleiter 117 können, wie vorgehend beschrieben, durch Elektronenstrahlverfahren in einem Glassubstrat erzeugt werden. Die Vorrichtung nach Fig. 6 ähnelt der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung mit der Ausnahme, daß ein konisches Koppelelement 119 und ein Wellenleiter 120 in einem metallischen Substrat 118 mit Hilfe von Elektronenstrahlverfahren hergestellt sind. Die wesentlichen Vorteile der in den Fign. 5 oder 6 dargestellten Vorrichtungen liegen in der Einfachheit der erforderlichen Herstellungsverfahren. Bei der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung treten jedoch wegen des größeren Verlustbereiches höhere Verluste auf.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere horizontal angeordnete Metallwellenleiter 120 bis 124 vorgesehen. Eine fünfte, mit punktierten Linien angedeutete Metalloberfläche 125 ergänzt die Wellenleiter. Bei der Herstellung wird die fünfte Fläche 125 durch Auffüllen der Luftspalte der Wellenleiter 120 bis 124 mit einer lösbaren Substanz, die nach der Ablaferung von Metall durch Waschen entfernt wird. Nachdem der Einschnitt im Leiter 105 sehr flach ist, können die Wellenleiter 120 bis 124 sehr leicht hergestellt werden. Zur Herstellung des breiteren Kopplungsspalts 126 sind aber mehrere Verfahrensschritte erforderlich. So wird beispielsweise die untere Hälfte des Spaltes

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126 und die untere horizontale Wand der Wellenleiter zuerst durch Abtragung hergestellt. Die Tatsache, daß der sich ergebende Luftspalt in seinem unteren Bereich enger wird, i^t ohne Bedeutung. Die übrigen Wände der Wellenleiter können wie oben beschrieben hergestellt werden. Vor der Entfernung der lösbaren Substanz wird die vierte Wand der Wellenleiter mit einer weiteren Schicht einer lösbaren Substanz bedeckt und zwar bis zu dem Bereich, in dem sich die untere Kante der oberen Hälfte des Spaltes 126 befinden soll. Anschließend wird die obere Hälfte des Spaltes durch Ablagerung in Richtung der optischen Achse hergestellt, da dieser Bereich nicht durch Wellenleiter gestört wird. Anschließend wird die lösbare Substanz entfernt. Wird kein hoher Wirkungsgrad der Ankoppelung verlangt, so kann der Spalt 126 weggelassen werden, so daß der dielektrische Wellenleiter 102 unmittelbar die Metall-Wellenleiter 120 bis 124 verbindet. Die in Fig. 7 dargestellte Vorrichtung weist einen akustischen Wandler 127 auf, der senkrecht zur Achse der Vorrichtung zwischen der Lichtquelle oder der Koppe!vorrichtung 103 und der integrierten Linse 104 angeordnet ist. Sowohl die Auswahl der Aufzeichnungsspur als auch die Einstellung auf die ausgewählte Spur kann mit Hilfe des integrierten akustischen Wandlers 127 erfolgen, der vor der Linse 104 auf den Lichtstrahl einwirkt, um das Licht steuerbar in einen der vier Wellenleiter 120 bis 124 einzugeben. Die Bandbreite des akustischen Wandlers 127 kann durch Verwendung von ZnO oder AlN als überzug 128 um etwa 15 % vergrößert werden. Akustische Strahlsteuerung durch braggsche Beugung wird von L. Kuhn, M.L. Dakss, P.F. Heindrich und B.A.. Scott, in Appl. Phys. Let. 17,265 (1970) beschrieben.

Bei genauer Strahlsteuerung und Fokussierung können in den integrierten optischen Bauteilen die Wände zwischen den einzelnen Wellenleitern weggelassen werden. Dieser Tatbestand ist aus Fig. ersichtlich, in der der fokussierende Abschnitt des in Fig. 7 dargestellten Wandlers wiedergegeben wird. In diesem Fall werden die getrennten Wellenleiter 120 bis 124 durch einen einzigen nichtgetrennten Wellenleiter 129 ersetzt, es ist jedoch, ersichtlich, daß die Wirkung die gleiche ist, da eine Vielzahl von voneinander getrennten Abbildungslagen möglich ist, die den einzelnen

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auszuwählenden Aufzeichnungsspuren entsprechen.

Die in den Fign. 7 und 8 dargestellten Wandler können auch so abgeändert werden, daß wie aus den Fign. 9 und 10 ersichtlich, der Leiter 105 durch das Substratmaterial 101 und der Luftspalt durch ein Dielektrikum mit hohem Brechungsindex ersetzt wird. Gemäß Fig. 9 werden die Wellenleiter 120 bis 124 der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung durch segmentierte dielektrische Wellenleiter 130 bis 134 ersetzt. Die segmentierten dielektrischen Wellenleiter 130 bis 134 werden voneinander durch Metallwände 135 bis 140 getrennt, durch die bei eng nebeneinanderliegenden Wellenleitern eine Dämpfungskopplung vermieden wird. Bei einer exakten Steuerung und Fokussierung des Strahls können die in das Dielektrikum eingelassenen Metallwände 135 bis 140 weggelassen werden. Dieser Fall wird beispielsweise in Fig. 10 dargestellt, in dem das Dielektrikum 141 auf dem Substrat 101 angeordnet ist. Die Einkopplung des Lichtes in die dielektrischen Wellenleiterabschnitte nach den Fign. 9 und 10 kann entweder durch ein konisches Kopplungselement oder durch einen Metallspalt erfolgen. Konische Kopplungselemente sind wegen ihrer einfacheren Herstellung vorzuziehen. Der konische Teil kann in an sich bekannter Weise durch Ablagerung mit steuerbarer Bestimmung der jeweiligen Dicke hergestellt werden.

Dielektrische Wellenleiter haben den Vorteil, daß sie geringe Übertragungsverluste aufweisen und leicht herzustellen sind. Sie haben jedoch den Nachteil, daß die strahlende Fläche eine dielektrische polierte Fläche und nicht ein Luftspalt ist. Die polierte Fläche kann jedoch leicht durch Kratzer beschädigt werden, so daß die Bildqualität verschlechtert und die Ausgangsleistung verringert wird. Ein weiterer Nachteil dielektrischer Wellenleiter liegt darin, daß sie im Vergleich zu Metallwellenleitern ein schlechteres Auflösungsvermögen haben. Gemäß Fig. 11 wird anstelle der Metallwellenleiter ein Stapel schmaler Spalte 142 verwendet, die periodisch entlang der optischen Achse des Wandlers angeordnet sind. Diese Spalte können mit Hilfe eines Elektronenbearbeitungsverfahrens in den auf dem Substrat 101 liegenden Leiter 105 einge-

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arbeitet werden. Der Abstand zwischen den Spalten ist etwa gleich einer Spaltbrennweite. Das Einkoppeln in den Spaltstapel kann mit Hilfe eines breiteren Spaltes erfolgen. Der Vorteil eines Stapels dünner Spalte liegt vor allen Dingen darin, daß das Auflösungsvermögen der Spalte voll ausgenützt werden kann.

Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Wandler der Wellenleiter 108 vertikal orientiert ist, liegt der Wellenleiter bei dem in Fig. 12 dargestellten Wandler horizontal. Diese Anordnung ähnelt der in Fig. 7 dargestellten Anordnung mit der Ausnahme, daß ein einziger Wellenleiter 120 im Leiter 105 vorgesehen ist. Die vierte Wand des Wellenleiters 120 ist, wie durch die strichpunktierten Linien angedeutet, mit einem Metallüberzug 125 versehen. Eine andere Ausfuhrungsform wird in Fig. 13 dargestellt, bei der ein Wellenleiter 130 auf einem Glassubstrat angeordnet ist. Die in den Fign. 12 und 13 angeordneten Vorrichtungen weisen den Vorteil auf, daß die Tiefe der Einschnitte oder die Höhe der Ablagerungen nur sehr klein im Vergleich 2u den in den Fign. 1, 4 und 6 dargestellten Vorrichtungen ist. Ein Nachteil der in den Fign. 12 und 13 dargestellten Vorrichtungen liegt darin, daß es schwierig ist, den in Fig. 7 dargestellten Kopplungsspalt 126 herzustellen.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können als Schreibkopf in optischen Speichern verwendet werden. Die gleichen Vorrichtungen können bei herabgesetzter Lichtintensität auch, wie in Fig. 14 angedeutet, als Beleuchtungskopf zum Auslesen der Aufzeichnungen dienen. Der Polarisationszustand des vom Wandler 100 ausgehenden Leselichts wird beim Durchgang durch die magnetisierte Scheibe 143 geändert. Ein Analysator 145 unterdrückt den durch eine unbeschriebene Bitstelle erzeugten Polarisationszustand, während bei Vorliegen eines eingeschriebenen Bitbereichs Licht zu einem Photodetektor 146 durchgelassen wird. Die Ausleselinse 144 muß keine kostspielige Linse mit großer Apertur sein, da der Schreibkopf die Größe des Auslesefleckes die Größe eines einzigen Bits begrenzt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Optischer Wandler mit hohem Auflösungsvermögen zur Fokussierung von Licht auf einen relativ zu Ihm bewegten optischen Aufzeichnungsträger, gekennzeichnet durch eine Quelle (103, 114) monochromatischen Lichts und ein fokussierendes Spaltoptikelement oder Elemente (108, 120 bis 124) zur Fokussierung dieses Lichts auf den Aufzeichnungsträger (143),
2. Optischer Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine die Lichtquelle (114) und das Spaltoptikelement (108, 117) verbindende Koppe!vorrichtung (116).
3. Optischer Wandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltoptikelement (108) aus einem longitudinal mit der optischen Achse des Wandlers ausgerichteten Metallwellenleiter (108) besteht, dessen Spaltbreite parallel zur Richtung der Relativbewegung zwischen Wandler (100) und Speicherfläche (143) liegt.
4. Optischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltoptikelement aus einem dielektrischen Wellenleiter (130) besteht.
5. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fokussierende Spaltoptikelement aus einem Stapel schmaler Spalte (142) besteht, die periodisch entlang der optischen Achse des Wandlers angeordnet sind und deren gegenseitige Abstände etwa der Brennweite eines Spaltes gleich sind und deren Spaltbreiten parallel zur Richtung der Relativbewegung zwischen Wandler (100) und Speicherfläche (143) liegen.
6. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltoptikelement aus einer Vielzahl von zueinander parallen und in Richtung der optischen Achse des Wandlers angeordneten

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Metallwellenleitern (120 - 124) besteht, deren Spaltbreite parallel zur Richtung der Relativbewegung zwischen dem Wandler und der Speicherfläche liegt und wobei jeder der besagten Wellenleiter einer anderen Lage oder Aufzeichnungsspur auf der Speicherfläche (143) entspricht.
7. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wellenleiter (130-134) durch Metallwände (135-140) voneinander getrennt sind.
8. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wellenleiter aus einem einzigen langgestreckten Spalt (129) bestehen.
9. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwischen der Beleuchtungsquelle (103) und den Koppelelementen angeordnete Vorrichtungen zur Strahlsteuerung (127), durch die der von der Lichtquelle (103) ausgehende Lichtstrahl auf jeweils einen von einer Vielzahl von Wellenleitern zwecks Auswahl einer bestimmten Aufzeichnungsspur auf der Speicherfläche gerichtet wird.
10. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Strahlsteuerung einen akustischen Wandler (127) enthalten, der eine senkrecht zur optischen Achse des Wandlers verlaufende akustische Welle erzeugt.
11. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltoptikelement aus einer von Vielzahl dielektrischen Wellenleitern (130 bis 134) besteht.
12. Optischer Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter aus einem einzigen langgestreckten

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dielektrischen Wellenleiter (129) bestehen.
13. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente aus einem konischen Wellenleiter (116) bestehen, der longitudinal mit der optischen Achse des Wandlers ausgerichtet ist und an seiner der Lichtquelle zugewandten Seiten eine größere und an seiner den fokussierenden Elementen zugewand-

j ten Seite eine öffnung mit einem kleineren Durchmesser aufweist.
14. Optischer Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Wellenleiter als Metallwellenleiter ausgebildet ist.
15. Optischer Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Wellenleiter als dielekektrischer Wellenleiter ausgebildet ist.
16. - Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine monochromatisches Licht erzeugende Quelle und einen dielektrischen Wellenleiter, in den das von der Quelle ausgehendes Licht eingekoppelt wird um zu den besagten Koppelelementen übertragen zu werden.
17. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Wellenleiter angeordnete Kondensorlinse (104).
18. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen als äußere Lichtquelle dienenden Laser (114), ein optisches Koppelelement (116) zur Einkopplung des Lichtes in den Wellenleiter und eine kollimierende Linse, die das vom Laser ausgehende Licht in das Koppelelement fokussiert.

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18. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mit dem Leiter integriert ist und aus einem Halbleitergrenzschichtlaser besteht.
19. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an dem der Speicherfläche (143) angewandten Ende des Wandlers (100) angeordnete Detektorvorrichtung (146) zur Feststellung der bei Beleuchtung eines aufgezeichneten Bits mit dem vom Wandler fokussierten Licht von der Speicherfläche zurückgeworfenen Strahlung.
20. Optischer Wandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung einen Analysator (145) aufweist, der Licht mit einer beim Durchtritt durch oder bei Reflektion an der Speicherfläche geänderten Polarisation durchläßt und durch einen Photodetektor (146) zur Feststellung des vom Analysator durchgelassenen Lichtes.
21. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die fokussierenden Spaltoptikelemente und die Koppelelemente als integrierte optische Elemente ausgebildet sind.
22. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fokussierende Spaltoptikelement einen Wellenleiter enthält und daß das Koppelelement aus einem schmalen Spalt besteht, dessen Breite größer als der Wellenleiter ist in den er das Licht fokussiert.
23. Optischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zur Aufnahme des Lichts dienendes optisches Gitter.

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