DE3228605C2

DE3228605C2 -

Info

Publication number: DE3228605C2
Application number: DE19823228605
Authority: DE
Inventors: Mamoru Tokio/Tokyo Jp Miyawaki; Mitsuharu Yokohama Kanagawa Jp Sawamura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1982-07-30
Publication date: 1991-02-07
Also published as: DE3228605A1; JPS5821211A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte optische Struktur mit einer Luneburg-Linse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche integrierte optische Struktur mit einer Luneburg-Linse ist aus IEEE spectrum, Dezember 1978, S. 22- 29, bekannt. Diese bekannte integrierte optische Struktur zeigt die Verwendung von Lithiumniobat LiNbO₃, in das Titan eindiffundiert ist. Es ist ausgeführt, daß bei Verwendung von Lithiumniobat mit Titan aufgrund der Wellenleitermaterialien üblicherweise geodätische Linsen verwendet werden, da die Erzeugung von das Licht im wesentlichen störungsfrei übertragenden Luneburg-Linsen bei solchen Wellenleitern aus Lithiumniobat mit Titan Schwierigkeiten bereitet. Insbesondere ist es schwierig, auf einem Wellenleiter aus Lithiumniobat mit Titan eine Dünnfilm-Luneburg-Linse hoher Lichtstärke zu erreichen.

Die ältere Anmeldung DE 31 02 972 A1 zeigt eine integrierte optische Struktur mit einem Wellenleiter aus Lithiumniobat mit Titan und einer darauf aufgebrachten Luneburg-Linse als Dünnfilmlinse. Auch hierbei ist es schwierig, eine sehr gute Lichtleitung durch die Linse zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte optische Struktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Linse lichtstark ist und stabile optische Übertragungseigenschaften besitzt, wobei die Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit relativ niedrig gehalten werden.

Diese Aufgabe wird mit bei der Struktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dem im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmal gelöst.

Die Verwendung von Titanoxid erweist sich in verschiedenerlei Hinsicht als vorteilhaft. Dadurch, daß einerseits Titan in die Substratoberfläche zum Erzeugen des Dünnfilm-Wellenleiters eindiffundiert wird und andererseits eine Titanoxid-Linse darauf aufgebracht wird, ergibt sich eine innige Haftung zwischen Linse und Dünnschicht- Wellenleiter. Aufgrund dieser innigen Verbindung werden Streuungen an der Grenzfläche zwischen Wellenleiter und Linse weitgehend vermieden, so daß praktisch keine Verfälschungen des durch die integrierte optische Struktur geleiteten Nutzlichtes durch Streulicht auftreten. Dadurch kann ein sehr genau definierter Abtastpunkt erzielt werden. Hinzu kommt, daß zwischen dem Material des Wellenleiters und der Linse eine Brechungsindexdifferenz (s. u.) besteht. Aus dieser Brechungsindexdifferenz resultiert eine im Vergleich zu Luneburg-Linsen in herkömmlichen integrierten optischen Strukturen (Luneburg-Linse mit hoher Lichtstärke). Hieraus resultieren als weitere Vorteile eine verringerte erforderliche Leistung des in die Struktur einzustrahlenden Lichtes und infolge der relativ exakten Lichtübertragung ein verminderter Herstellungsaufwand.

Eine vorteilhafte Verwendung der integrierten optischen Struktur ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 perspektivisch ein bekanntes Beispiel für ein Abtastelement mit einer eine Dünnfilmlinse aufweisenden optischen Struktur,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Luneburg-Linse als Dünnfilmlinse, die auf einem Dünnfilm-Wellenleiter aufgebracht ist,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Aufbau einer Luneburg-Linse als Dünnfilmlinse,

Fig. 4 die Amplitudenverteilung des elektrischen Felds, wenn sich Licht durch das Innere der Dünnfilmlinse ausbreitet, und

Fig. 5 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung einer Luneburg-Linse.

Die vorliegende Erfindung verwendet als Material einer auf einem Wellenleiter 3 gebildeten Dünnfilmlinse Titanoxid (TiO), das bisher für dünne optische Filme, wie beispielsweise Antireflexionsfilme auf Linsen oder Spiegeln verwendet worden ist. Der Brechungsindex n von Titanoxid liegt zwischen 2,4 und 2,5. Dieser Bereich ist für Dünnfilmlinsen ausreichend hoch. Aufgrund der Erfahrung mit diesem Material bei der herkömmlichen Verwendung für optische dünne Filme kann gesagt werden, daß die Stabilität dieses Materials für Dünnfilmlinsen ausreichend ist. Aufgrund der unten beschriebenen Beziehung zwischen den Brechungsindizes ergibt sich, daß als Wellenleiter 3 Lithiumniobat (LiNbO₃) mit eindiffundiertem Titan (Ti) verwendet werden kann.

Die Kombination von Titanoxid und Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan für die Dünnfilmlinse 6 bzw. den Dünnfilm-Wellenleiter 3 führt, verglichen mit der herkömmlichen Kombination zu einer Linse mit kleiner Blendenzahl, d. h. einer Linse mit hoher Lichtstärke als Dünnfilmlinse 6, da das Verhältnis der Brechungsindizes der Dünnfilmlinse 6 und des Wellenleiters 3 relativ groß ist. Dies soll im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 für den Fall erläutert werden, daß die Luneburg-Linse als Dünnfilmlinse ausgebildet ist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Luneburg- Linse als Dünnfilmlinse mit der genannten Differenz der Brechungsindizes. Eine Dünnfilmlinse 6 erhebt sich in Form einer Scheibe auf einem Wellenleiter 3, der auf einem Substrat 2 gebildet ist. Wenn Licht L₃, das sich durch den Wellenleiter 3 unter wiederholter Totalreflexion ausgebreitet hat, die Dünnfilmlinse 6 erreicht, verläuft es sich durch das Innere der Dünnfilmlinse 6 und tritt wieder in den Wellenleiter 3 ein, da der Brechungsindex der Dünnfilmlinse 6 größer als der Brechungsindex des Wellenleiters 3 ist.

Es ist bekannt, daß die folgende Beziehung zwischen dem tatsächlichen effektiven Brechungsindex n_e, der sich für das durch das Innere der Dünnfilmlinse 6 ausbreitende Licht ergibt (im folgenden auch als tatsächlicher effektiver Brechungsindex der Linse bezeichnet), und dem Brechungsindex n₂ des Materials der Dünnfilmlinse 6 besteht:

n_e = n₂ sin R (1)

Hierbei ist R der Reflexionswinkel, mit dem sich das Licht durch die Dünnfilmlinse 6 ausbreitet (siehe Fig. 2). Aus Gleichung (1) ergibt sich die Beziehung, daß der tatsächliche effektive Brechungsindex n_e der Linse nicht größer als der Brechungsindex n₂ des Materials ist, aus dem die Dünnfilmlinse 6 besteht:

n_e n₂ (2)

Der Maximalwert des tatsächlichen effektiven Brechungsindex n_e, der für eine Luneburg-Linse mit einer Blendenzahl von 1,8 erforderlich ist, die beispielsweise auf einem aus Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan bestehenden Wellenleiter 3 hergestellt werden soll, ist 2,442, wenn mit den in W. H. Southwell's Artikel (J.O.S.A. 67 [1977], 1010) angegebenen mathematischen Ausdrücken gerechnet wird. Wenn Titanoxid als Material der Dünnfilmlinse 6 verwendet wird, wird die Beziehung von Gleichung (2) erfüllt, da der Brechungsindex n₂ von Titanoxid 2,45 ist. Wenn jedoch Arsentrisulfid als Material der Dünnfilmlinse 6 verwendet wird, wird es unmöglich, eine Luneburg-Linse mit einer Blendenzahl von 1,8 unter Verwendung von Arsentrisulfid herzustellen, da der Brechungsindex n₂ dieses Materials etwa 2,37 ist. Wenn folglich eine Wellenführung 3 verwendet wird, die aus Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan besteht, wird es aufgrund der Verwendung von Titanoxid als Material der Luneburg-Linse als Dünnfilmlinse 6 möglich, eine Luneburg-Linse als Dünnfilmlinse mit einer kleineren Blendenzahl als die herkömmliche solcher Linsen herzustellen.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Aufbaus der Dünnfilmlinse 6 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der eine TE-Modus-Luneburg-Linse mit einer Blendenzahl von 1,8 (wie vorstehend beschrieben) mit einem Radius von 3 mm und einer Brennweite von 10,8 mm unter Verwendung von Titanoxid als Material der Dünnfilmlinse 6, Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan als Wellenleiter 3 und Lithiumniobat als Substrat 2 hergestellt worden ist. Die in Fig. 3 gezeigte Querschnittsform ist mit den in dem Artikel von W. H. Southwell angegebenen Ausdrücken berechnet worden.

Ferner hat die vorliegende Dünnfilmlinse verglichen mit herkömmlichen Dünnfilmlinsen den Vorteil, daß die Genauigkeit des Brechungsindex und der Filmdicke, die für den Wellenleiter 3 erforderlich ist, und die bei der Herstellung der Dünnfilmlinse 6 eine Rolle spielt, gesenkt werden kann.

Fig. 4 zeigt die Amplitudenverteilung des elektrischen Feldes, wenn sich Licht durch das Innere der Dünnfilmlinse 6 ausbreitet. Die Amplitudenverteilung ist mit den Maxwell-Gleichungen berechnet worden. Der Dünnfilm- Wellenleiter 3 ist aus Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan hergestellt worden. Die ausgezogene Linie I gibt die Amplitudenverteilung des elektrischen Felds an, wenn Titanoxid als Material der Dünnfilmlinse 6 verwendet wird; die gestrichelte Linie II gibt die Verteilung an, wenn Arsentrisulfid als Material der Dünnfilmlinse 6 verwendet wird. Wie vorstehend beschrieben, ist der Brechungsindex von Titanoxid höher als der Brechungsindex von Arsentrisulfid; deshalb tritt das elektrische Feld mit einer geringeren Amplitude in die Wellenführung 3 ein, wenn Titanoxid verwendet wird (siehe Fig. 4). Folglich ist die Dünnfilmlinse weniger anfällig für Einflüsse des Wellenleiters 3, wenn sie aus Titanoxid hergestellt worden ist, und die Genauigkeit des Brechungsindex und der Filmdicke, die für den Wellenleiter 3 erforderlich ist, und die bei der Herstellung der Dünnfilmlinse 6 eine gewichtige Rolle spielen, ist geringer.

Das für das Substrat 2 und den Wellenleiter 3 verwendete Lithiumniobat hat piezoelektrische Eigenschaften; deshalb lassen sich mit hohem Wirkungsgrad elastische Ultraschall-Oberflächenwellen mit hoher Frequenz erzeugen, und es ist in hervorragender Weise für ein Koalescenzpunkt-Abtastelement gemäß Fig. 1 od. dgl. verwendbar.

Im folgenden soll ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dünnfilmlinse 6 beschrieben werden. Fig. 5 zeigt schematisch die Vorrichtung zur Herstellung einer Luneburg-Linse als Dünnfilmlinse mittels eines Aufdampfverfahrens. Wenn bei dem Aufdampfverfahren der Abstand zwischen der Aufdampfquelle und dem Substrat 2 ausreichend groß verglichen mit dem Durchmesser der Dünnfilmlinse 6 ist, und die Aufdampfquelle genau unterhalb des Substrats 2 angeordnet ist, fliegen die zu der Filmdicke beitragenden aufgedampften Teilchen in senkrechter Richtung zum Substrat 2. Wenn folglich eine Maskenplatte mit einer Dicke von 0,2 mm oder weniger mit einem Öffnungswinkel R verwendet wird, der die Beziehung

R = 360 · t(r)/t₀ (Grad)

für jeden Wert von r erfüllt, wobei t(r) die Filmdicke einer zentralsymmetrischen Luneburg- Linse in Radialrichtung r und t₀ die Filmdicke in der Mitte ist, und der Mittelpunkt der Öffnung der Maskenplatte mit dem Mittelpunkt der Dünnfilmlinse 6 in Übereinstimmung gebracht wird und die Maskenplatte und das Substrat während des Aufdampfvorgangs relativ zueinander gedreht werden, wird es möglich, eine Dünnfilmlinse mit der gewünschten Filmdicke und dem gewünschten Aufbau zu erhalten. Fig. 5 zeigt die Anordnung während der Herstellung der Dünnfilmlinse. Eine Maskenplatte 10 ist fixiert und das Substrat 2 ist auf einem nicht gezeigten Substrathalter mit einem Drehmechanismus angeordnet. Die Maskenplatte 10 hat eine im wesentlichen wärmegeformte Öffnung 11, die entsprechend der genauen Berechnung geschnitten ist und durch die der Aufdampffluß der Titanoxidteilchen hindurchgeht.

Die Dünnfilmlinse kann nicht nur mit einem Aufdampfverfahren hergestellt werden, sondern auch durch Sputtern oder Ionenimplantation. Als Maskenverfahren kann auch ein Verfahren verwendet werden, bei dem eine Vielzahl von Maskenplatten mit kreisförmigen Öffnungen mit einer vorbestimmten Dicke von wenigen Millimetern oder mehr und einer bestimmten Querschnittsform der Öffnung oder eine Vielzahl von Maskenplatten, von denen jede eine kreisförmige Öffnung hat, mit einem Substrat kombiniert werden.

Wie vorstehend beschrieben worden ist, weist die erfindungsgemäße integrierte optische Struktur eine Luneburg-Linse als Dünnfilmlinse aus Titanoxid auf, die auf einem Wellenleiter aus Lithiumniobat mit eindiffundiertem Titan aufgebracht ist; die Dünnfilmlinse führt zu einer lichtstarken Linse mit kleiner Blendenzahl und hat zudem den Vorteil, daß die Genauigkeit des Brechungsindex und der Filmdicke des Wellenleiters gesenkt werden können. Die Dünnfilmlinse kann mit großen Vorteilen für ein Element, wie beispielsweise ein Koalescenzpunkt-Abtastelement, bei dem eine elastische Oberflächenwelle verwendet wird, verwendet werden.

Claims

1. Integrierte optische Struktur mit einer Luneburg- Linse als Dünnfilmlinse, die auf einem durch Diffusion von Titan in eine Oberfläche eines Substrats aus Lithiumniobat gebildeten Dünnfilm-Wellenleiter aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Luneburg-Linse (6) aus Titanoxid hergestellt ist.

2. Verwendung der integrierten optischen Struktur nach Anspruch 1 in einem Abtastelement, bei dem zur Ablenkung eines Abtast-Lichtstrahls mittels einer Ultraschallerzeugungseinrichtung (5) elastische Oberflächenschwingungen erzeugt werden.