DE3431605C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Wellenleitersystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein solches Wellenleitersystem findet Anwendung und ist geeignet beispielsweise für einen mit hoher optischer Dichte arbeitenden Aufzeichnungskopf.

Ein Wellenleitersystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 ist bekannt (US-PS 44 25 023). Ein Ausführungsbeispiel dieses bekannten Wellenleitersystems ist in Fig. 5 der beiliegenden Zeichnung dargestellt. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Substrat, das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Lichtwellenleiter, die Bezugszeichen 3 und 4 bezeichnen prismatische Koppler, das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine kammartige Elektrode, das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Kondensorlinse und das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein Aufnahmemedium. Ein kollimierter Laserstrahl 8 wird durch den eingangsseitigen prismatischen Koppler 3 auf den Lichtwellenleiter 2 gerichtet, wird durch eine durch die kammartige Elektrode 5 erzeugte elastische Oberflächenwelle 9 abgelenkt und tritt aus dem ausgangsseitigen prismatischen Koppler 4 aus. Das austretende Lichtbündel 10 bildet mittels der Kondensorlinse 6 auf der Fläche des Aufnahmemediums 7 einen Lichtfleck 13. Im Hinblick auf die Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels 10 ist zu sagen, daß die Lichtstärkeverteilung in der in Fig. 5 gezeigten Meridionalrichtung y normalerweise nicht von der Lichtstärkeverteilung des einfallenden Laserstrahls 8 differiert. Wie jedoch in Fig. 6 dargestellt ist, wird die Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels 10, betrachtet in einer xz-Ebene, annähernd zu einer Verteilung, deren eine Flanke einer Exponentialfunktion gehorchend abfällt. In Fig. 7 (A) zeigt diese Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels für einen Fall, in dem LiNbO₃ mit eindiffundiertem Ti als Lichtwellenleiter verwendet wird, ein prismatischer TiO₂- Koppler auf dem Lichtwellenleiter angeordnet ist und He- Ne-Laserlicht mit einer Bündelbreite von 6 mm und einer Gauß-Verteilung der Lichtstärke in den Koppler 3 eingeleitet wird. Auf diese Art und Weise liegt in der Meridionalrichtung eine Gauß-Verteilung und in der anderen Richtung, nämlich der Sagittalrichtung Zr der Kondensorlinse eine einseitige Exponentialverteilung vor.

Ein Lichtfleck, der durch einen mit hoher Dichte aufzeichnenden optischen Kopf erzeugt wird, soll die folgenden Forderungen erfüllen, um die Energiedichte des Lichtflecks zu verbessern und eine hochdichte Aufzeichnung zu erreichen:

• 1) die Fleckgröße soll sehr klein sein;
• 2) die Spitzenintensität, d. h. der Maximalwert der Lichtstärkeverteilung im Lichtfleck, soll sehr hoch sein;
  und
• 3) die Form des Lichtflecks soll etwa kreisförmig sein.

Die Lichtstärkeverteilung eines Lichtflecks, der durch Fokussierung des aus dem Wellenleitersystem gemäß Fig. 5 austretenden Lichtbündels mittels der Kondensorlinse 6 erzeugt wird, ist nun aber in meridionaler und sagittaler Richtung unterschiedlich, wie in Fig. 7 (B) dargestellt ist. Das in Fig. 5 dargestellte optische Wellenleitersystem leidet unter dem Nachteil, daß es die für eine hochdichte Aufzeichnung geltenden Forderungen nicht befriedigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsbildende Wellenleiterystem dahingehend weiterzubilden, daß die Spitzenintensität möglichst hoch ist und die Form des Lichtflecks der Kreisform möglichst nahekommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das optische Wellenleitersystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird im Wellenleitersystem das diesen durchlaufende Licht derart durch geeignete Mittel beeinflußt, daß die Lichtstärkeverteilung des aus dem Koppler austretenden Lichtbündels bestimmte Bedingungen erfüllt, die wiederum nach der Fokussierung durch die Kondensorlinse einen weitgehend kreisförmigen Lichtfleck mit hoher Spitzenintensität zur Folge haben. Bei den hierzu eingesetzten Mitteln handelt es sich vorzugsweise um eine Zwischenschicht mit einem bestimmten Brechungsindex zwischen dem Lichtwellenleiter und dem prismatisch ausgebildeten Koppler oder um die Ausbildung des Kopplers als Gitter-Koppler. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgeden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Auführungsbeispiels des Wellenleitersystems,

Fig. 2 die Abhängigkeit des Maximalwertes der Lichtstärkeverteilung bei dem Wellenleitersystem gemäß Fig. 1 von Parametern β und γ,

Fig. 3 (A) und (B) Darstellungen der Lichstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels und des Lichtflecks bei dem Wellenleitersystem gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines herkömmlichen Wellenleitersystems,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels bei dem Wellenleitersystem gemäß Fig. 5 und

Fig. 7 (A) und (B) weitere Darstellungen der Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels und des Lichtflecks bei dem herkömmlichen optischen Wellenleitersystem gemäß Fig. 5.

Die Koordinaten und Koordinatensysteme sind für die folgenden Ausführungsbeispiele in gleicher Weise definiert wie in den Fig. 5 bis 7.

Bezugnehmend auf Fig. 1, die eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, bezeichnet das Bezugszeichen 11 ein Substrat, das Bezugszeichen 12 einen Lichtwellenleiter, das Bezugszeichen 13 eine Zwischenschicht, das Bezugszeichen 14 einen prismatischen Koppler, das Bezugszeichen 16 eine Kondensorlinse und das Bezugszeichen 17 ein Aufnahmemedium. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Zwischenschicht 13, die einen Brechungsindex hat, der niedriger ist als die Brechungsindices des Lichtwellenleiters 12 und des prismatischen Kopplers 14, zwischen dem prismatischen Koppler 14 und dem Lichtwellenleiter 12 angeordnet. Wenn die Zwischenschicht 13 vorgesehen ist, erfolgt die Auskopplung des Wellenleiterlichts 24 zum prismatischen Lichtsammler 14 allmählich, wird die Länge der Koppelstrecke vergrößert, und erfolgt der Abfall der Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels 25 in Richtung Zr weniger steil.

Entsprechend werden die Steilheiten, mit denen die Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtstrahls in den Richtungen y und Zr abfällt, in ihren Größenordnungen einander gleich, und die Form eines durch die Kondensorlinse 16 konzentrierten Lichtflecks wird annähernd zu einem Kreis. Um einen Lichtfleck einer solchen annähernd kreisförmigen Form zu erzielen, ist es wünschenswert, daß, wenn die Bündelbreite in Meridionalrichtung y des aus dem Wellenleiter austretenden Lichts 2R und der Radius der Pupille der Kondensorlinse R ist, die Koppellänge derart festgelegt ist, daß die Breite der Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels 25 in Sagittalrichtung Zr ungefähr 2R beträgt.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Lichtstärkeverteilung des aus dem Koppler 14 austretenden und in die Kondensorlinse 16 eintretenden Lichtstrahls 25 in Meridionalrichtung y vom Gauß-Typ. Die Lichtstärkeverteilung in Sagitallrichtung Zr ist in der Eintrittspupille der Kondensorlinse 16 eine Verteilung mit einer einseitigen Exponentialfunktion und durch die folgenden Gleichungen gegeben:

Für Zr γ,

Für Zr < γ

f = 0 (2)

wobei R der Radius der Eintrittspupille der Kondensorlinse 16 ist, α ein Parameter ist, der die Steilheit der Gauß-Verteilung in Meridionalrichtung y bestimmt, β ein Parameter ist, der die Steilheit der Exponentialfunktion in Sagittalrichtung Zr bestimmt, γ die Zr-Koordinate des Maximalwertes der Lichtstärkeverteilung in der Eintrittspupille der Kondensorlinse 16, und C eine Normierungskonstante ist. Der Lichtstrahl am Maximum der Lichtstärkeverteilung kommt von dem in Fig. 1 gezeigten Ende 26 des Kopplers 14. Die y-Koordinate des Maximalwertes ist Null. Die Bündelbreite des Strahlbündels ist 2R. Die Bündelbreite ist dabei definiert durch den Abfall der normierten Lichtstärke auf den Anteil 1/e².

Die Normierungskonstante C wurde derart variiert, daß die Gesamtlichtmenge des aus dem prismatischen Koppler 14 mit der Zwischenschicht 13 des ersten Ausführungsbeispiels austretenden Lichtbündels immer konstant war. Die Parameter β und γ wurden variiert und die Optimalwerte der Parameter β und γ wurden errechnet. Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Anhängigkeit des Maximalwertes der Lichtstärkeverteilung des durch die Kondensorlinse 16 gebildeten Lichtflecks von den Parametern β und γ. In Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen 31, 32 und 33 Kurven, bei denen die Maximalwerte 2,4 bzw. 2,3 bzw. 2,1 sind, falls die Gesamtlichtmenge des Lichtbündels 100 beträgt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Maximalwert am größten wird, wenn die Parameter β und γ in folgenden Bereichen liegen:

1.2R β 1.4R (3)

-0.9R γ -0.7R (4)

Entsprechend werden die Koppellänge des Kopplers 14 und der Zwischenschicht 13 und die Stellung der Kondensorlinse 16 derart vorgesehen, daß die vorstehenden Bedingungen (3) und (4) erfüllt sind, wodurch ein Lichtfleck mit optimaler Lichtstärkeverteilung erzielt wird. Die Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels, falls die Parameter β und γ in den durch die Bedingungen (3) und (4) vorgegebenen Bereichen liegen, ist in Fig. 3 (A) dargestellt. Die Lichtstärkeverteilung des Lichtflecks, der aus dem Lichtbündel mittels der Kondensorlinse fokussiert wird, ist in Fig. 3 (B) dargestellt. Wie aus den Fig. 3 (A) und (B) hervorgeht, sind die Lichtstärkeverteilung des austretenden Lichtbündels in der Eingangspupille der Kondensorlinse verhältnismäßig gleichförmig, die Form des Lichtflecks kreisförmig, der Maximalwert hoch und die Größe des Lichtflecks sehr klein.

Die Werkstoffe des beschriebenen Wellenleitersystems sind beispielsweise folgende: Das Substrat 11 besteht aus LiNbO₃, in das zur Bildung des Wellenleiters 12 Ti eindiffundiert worden ist. Die Zwischenschicht 13 besteht aus Al₂O₃ und hat eine Dicke von 1200 Å. Der Koppler 14 besteht aus TiO₂ und hat einen Neigungswinkel von 50°.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Verteilung des Lichtes im Wellenleiter derart, daß sich das Licht weitgehend nur nahe der Oberfläche des Lichtwellenleiters ausbreitet. Deshalb wurde ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Koppellänge durch die Zwischenschicht justiert wird, die einen niedrigeren Brechungsindex als der Lichtwellenleiter hat, um so eine Vergrößerung der Koppellänge des prismatischen Kopplers zu erreichen. Wenn sich Licht jedoch auch in einem Bereich tief unter der Oberfläche des Lichtwellenleiters ausbreitet, wie es beispielsweise in einem Lichtwellenleiter aus LiNbO₃ mit herausdiffundiertem Li möglich ist, ist es im Gegensatz zum oben beschriebenen Ausführungsbeispiel notwendig, die Kopplung des prismatischen Kopplers zu stärken und seine Koppellänge zu verringern. Dazu könnte eine dünne Zwischenschicht mit einem Brechungsindex größer als dem Brechungsindex des Lichtwellenleiters benutzt werden, um die Koppellänge zu justieren. Auch muß bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Dicke der Zwischenschicht nicht immer konstant sein, sondern sie kann beispielsweise in konischer Form variieren, und zwar in Richtung der Fortpflanzung des Wellenleiterlichts, um dadurch die erwünschte Koppellänge zu erhalten.

Im folgenden wird Bezug auf Fig. 4 genommen, um ein zweites Ausführungsbeispiel zu beschreiben. In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 41 ein Substrat, das Bezugszeichen 42 einen Lichtwellenleiter, das Bezugszeichen 46 eine Kondensorlinse, das Bezugszeichen 47 ein Aufnahmemedium, das Bezugszeichen 44 ein Wellenleiterlicht, das Bezugszeichen 45 ein austretendes Lichtbündel und das Bezugszeichen 43 einen Gitter-Koppler. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist somit der beim ersten Ausführungsbeispiel benutzte prismatische Koppler durch einen Gitter-Koppler 43 ersetzt.

Der Modulationsgrad des Gitter-Kopplers 43 ist nicht auf einen solchen Fall beschränkt, bei dem er gleichförmig ist, sondern er kann so ausgebildet sein, daß er schrittweise in Fortpflanzungsrichtung des Lichtes im Wellenleiter variiert, wodurch eine erwünschte Koppellänge erreicht wird.

Der im zweiten Ausführungsbeispiel gezeigte Gitter- Koppler kann mit niedrigeren Kosten hergestellt werden als der prismatische Koppler des ersten Ausführungsbeispiels.

Claims (5)

1. Optisches Wellenleitersystem mit einem Lichtwellenleiter, einem Koppler zur Auskopplung von Licht aus dem Lichtwellenleiter und einer zur Fokussierung des aus dem Koppler austretenden Lichtbündels zu einem Lichtfleck vorgesehenen Kondensorlinse, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung eines kreisförmigen Lichtflecks mit hoher Spitzenintensität Mittel (13, 43) vorgesehen sind, mit denen erreicht wird, daß das Maß β der Steilheit der Exponentialfunktion die in Sagittalrichtung Zr der Kondensorlinse (16, 46) für Zr γ die Lichtstärkeverteilung des mit der Bündelbreite 2R in Meridionalrichtung y der Kondensorlinse in diese eintretenden Lichtbündels (25, 45) beschreibt, die Bedingung1,2 R β 1,4 Rerfüllt und daß die Zr-Koordinate γ des Maximalwertes der genannten Lichtstärkeverteilung die Bedingung-0,9 R γ -0,7 Rerfüllt, wobei die y-Koordinate des Maximalwertes Null ist, wobei der Ursprung des Zr-y-Koordinatensystems im Mittelpunkt der Pupille der Kondensorlinse (16, 46) liegt und wobei die Pupille der Kondensorlinse den Radius R hat.

2. Optisches Wellenleitersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler ein prismatischer Koppler (14 ist und daß eines der Mittel eine zwischen dem Koppler (14) und dem Lichtwellenleiter (12) angeordnete Zwischenschicht (13) mit einem Brechungsindex ist, der niedriger ist als der des Lichtwellenleiters (12).

3. Optisches Wellenleitersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Zwischenschicht (13) sich konisch in Fortpflanzungsrichtung des Lichtes im Lichtwellenleiter (12) verjüngt.

4. Optisches Wellenleitersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als eines der Mittel der Koppler als Gitter-Koppler (43) ausgebildet ist.

5. Optisches Wellenleitersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des Lichtes durch den Gitter-Koppler (43) sich in Fortpflanzungsrichtung des Lichtes im Lichtwellenleiter (42) ändert.