DE3686541T2

DE3686541T2 - Lichtmodulator und wellenleitervorrichtung.

Info

Publication number: DE3686541T2
Application number: DE8686114032T
Authority: DE
Inventors: Ltd Kamiyama; Ltd Okazaki; Ltd Sunagawa
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1985-10-11
Filing date: 1986-10-10
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2006-10-11
Also published as: DE3686541D1; EP0219069B1; EP0219069A2; EP0219069A3; US4830448A

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtmodulator, insbesondere einen Lichtmodulator zum Modulieren von Licht durch Steuern des Aufgreifens einer geführten Welle aus einem Wellenleiter. Die Erfindung betrifft außerdem eine Wellenleitervorrichtung, insbesondere eine Wellenleitervorrichtung mit einer Wellenleiterschicht aus einem thermooptischen Material, dessen optischer Brechungsindex sich bei Wärme ändert, so daß die im Inneren der Wellenleiterschicht geführte Welle aus der Schicht abgestrahlt wird, um bei der Lichtstrahlabtastung, Lichtmodulation oder dergleichen verwendet zu werden.
Als Lichtmodulatoren fur die externe Modulation eines Lichtstrahles wie z.B. eines Laserstrahles, sind elektrooptische Modulatoren (EOM), akustooptische Modulatoren (AOM) und dergleichen bislang bekannt geworden. In den vergangenen Jahren wurden auch Lichtmodulatoren vom Wellenleitertyp vorgeschlagen, die ein thermooptisches Material verwenden. Einer der Lichtmodulatoren vom Wellenleitertyp ist beschrieben in Appl. Phys. Lett., Vol. 45, P840 (1984). In diesem Lichtmodulator wird der Wellentyp umgeschaltet zwischen einem geführten Wellentyp und einem Strahlungswellentyp durch gesteuertes Anlegen eines elektrischen Feldes oder dergleichen an den Wellenleiter, und dadurch wird die aus dem Wellenleiter abgestrahlte Welle moduliert.
Allerdings hat der Lichtmodulator mit dem oben erläuterten Aufbau den Nachteil, daß, weil die Effizienz beim Herausgreifen der Welle aus dem Wellenleiter in den Strahlungswellentyp gering ist, ein nennenswert hohes Auslöschungsverhältnis nicht erzielt werden kann.
Die US-A-4 039 249 offenbart einen Lichtmodulator mit einem Substrat, auf dessen Oberseite eine Wellenleiterschicht mit einem relativ hohem Brechungsindex vorgesehen ist. Auf der Oberfläche der Wellenleiterschicht befindet sich ein dielektrisches Gitter, welches einen Abschnitt eines optischen Weges abdeckt, der innerhalb der Wellenleiterschicht definiert ist. Auf beiden Seiten des optischen Wegs befindet sich ein Paar Elektroden zum Anlagen eines elektrischen Feldes an das Gitter, um auf diese Weise die sich in dem optischen Weg ausbreitende optische Welle innerhalb der Wellenleiterschicht zu modulieren.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Lichtmodulator vom Wellenleitertyp anzugeben, der ein hohes Extinktionsverhältnis aufweist. Es ist ferner ein Ziel der Erfindung, eine Wellenleitervorrichtung anzugeben, die sich zur Bildung eines Lichtmodulators, einer Lichtstrahlabtastvorrichtung und dergleichen eignet. Speziell beabsichtigt die vorliegende Erfindung die Schaffung einer Wellenleitervorrichtung mit hoher Effizienz der Wärmeenergieausnutzung zum Ändern des optischen Brechungsindex.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Lichtmodulator, welcher umfaßt:
i) einen Stapel aus einer Wellenleiterschicht und einer benachbarten Schicht, die normalerweise einen optischen Brechungsindex hat, der kleiner ist als der optische Brechungsindex der Wellenleiterschicht, und die in enger Berührung mit der Wellenleiterschicht steht, wobei mindestens eine Schicht von der Wellenleiterschicht und der benachbarten Schicht aus einem Material gebildet ist, dessen optischer Brechungsindex sich durch Aufbringung von Energie ändert,
ii) eine Energieaufbringeinrichtung, die an der Wellenleiterschicht und/oder der benachbarten Schicht entlang dem optischen Weg einer geführten Welle, die sich im Inneren der Wellenleiterschicht fortpflanzt, positioniert ist,
iii) ein dielektrisches Gitter, das an der Oberfläche der benachbarten Schicht zumindest über einem Abschnitt der Schicht, wo Energie von der Energieaufbringeinrichtung aufgebracht wird, angeordnet ist, und
iv) eine Treiberschaltung zum Erregen der Energieaufbringeinrichtung in einen vorbestimmten Energieaufbringzustand, und zum Ändern des optischen Brechungsindex' der Wellenleiterschicht und/oder des optischen Brechungsindex der benachbarten Schicht, so daß die gefuhrte Welle durch Wechselwirkung mit dem dielektrischen Gitter an dem Abschnitt, an welchem Energie von der Energieaufbringeinrichtung aufgebracht wird, aus dem Stapel abgelenkt wird, wobei das von dem Gitter abgelenkte Licht als moduliertes Licht verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem eine Wellenleitervorrichtung, welche umfaßt:
i) einen Stapel aus einer Wellenleiterschicht, die durch ein thermooptisches Material gebildet wird, in welchem der Warmekoeffizient des optischen Brechungsindex null oder negativ ist (d.h., der optische Brechungsindex erfährt durch Erwärmung keine Änderung oder Abnahme), und einer benachbarten Schicht, die aus einem thermooptischen Material gebildet ist, in welchem der Wärmekoeffizient des optischen Brechungsindex positiv ist (d.h., der optische Brechungsindex nimmt bei Erwärmung zu), und das einen optischen Brechungsindex kleiner als der optische Brechungsindex der Wellenleiterschicht zeigt, wenn keine Erwärmung erfolgt,
ii) eine Heizeinrichtung, die an einer Oberfläche der benachbarten Schicht positioniert ist, um einen vorbestimmten Abschnitt entlang dem optischen Weg einer sich im Inneren der Wellenleiterschicht ausbreitenden, geführten Welle zu erwärmen, und
iii) ein dielektrisches Gitter an der Oberfläche der benachbarten Schicht an dem Heizabschnitt.
Da bei dem Lichtmodulator gemäß der vorliegenden Erfindung die sich im Inneren der Wellenleiterschicht ausbreitende geführte Welle aufgrund der Wirkung des dielektrischen Gitters an der benachbarten Schicht in engem Kontakt mit der Wellenleiterschicht wirksam aus der Wellenleiterschicht herausgegriffen wird, ist es möglich, das Extinktionsverhältnis des modulierten Lichts wesentlich zu verbessern.
In dem erfindungsgemäßen Lichtmodulator wird der optische Brechungsindex n2 der Wellenleiterschicht und/oder der optische Brechungsindex n1 der benachbarten Schicht, mit n2> n1 im Normalzustand ohne Aufbringung von Energie, derart geändert, daß die Differenz n2-n1 klein wird oder daß n2≤nl. Die Feldverteilung der in der Wellenleiterschicht eingegrenzten geführten Welle wird dadurch geändert, und die geführte Welle wird aus dem Stapel aus der Wellenleiterschicht und der benachbarten Schicht aufgrund der Wechselwirkung mit dem dielektrischen Gitter ausgestrahlt. Durch Steuern der Energieaufbringung ist es daher möglich, die Entnahme der geführten Welle aus dem Stapel zu steuern und dadurch das aus der Wellenleiterschicht abgestrahlte Licht zu modulieren. Speziell nimmt die Stärke des aus der Wellenleiterschicht abgestrahlten Lichts ab, wenn die geführte Welle aus dem Stapel entnommen wird und sie nimmt zu, wenn die Abnahme der geführten Welle beendet wird. Da ferner das Entnehmen der geführten Welle aus dem Stapel steuerbar ist, ist es ebenfalls möglich, das entnommene Licht als moduliertes Licht zu verwenden.
Der Mechanismus der aus dem Stapel entnommenen geführten Welle wird im folgenden näher beschrieben. Fig. 1 eine anschauliche Darstellung, welche die Lichtmodulation in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält der Lichtmodulator gemäß der vorliegenden Erfindung beispielsweise ein Substrat 10, eine Wellenleiterschicht 11, die auf dem Substrat 10 liegt, und eine benachbarte Schicht 12, die mit einem dielektrischen Gitter G ausgestattet ist und uber der Wellenleiterschicht 11 liegt. Beispielsweise ist die benachbarte Schicht 12 aus einem thermooptischen Material gebildet. Der optische Brechungsindex n3 des Substrats 10, der optische Brechungsindex n2 der Wellenleiterschicht 1 und der optische Brechungsindex n1 der benachbarten Schicht 2 genügen, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird, der Bedingung n2> n1, n3.
Fig. 2A, 2B und 2C sind grafische Darstellungen, die die Dispersionskurven für den in Fig. 1 gezeigten Aufbau darstellen. Fig. 3A, 3B und 3C sind schematische Ansichten, die die Verteilung des elektrischen Feldes der geführten Welle bei dem Aufbau nach Fig. 1 veranschaulichen. Bei dem Aufbau nach Fig. 1 hat die Dispersionskurve, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird, den in Fig. 2A gezeigten Verlauf. In Fig. 2A bezeichnet die Ordinate den effektiven optischen Brechungsindex, und die Abszisse bezeichnet die Dicke der Wellenleiterschicht 11. Wenn die Dicke der Wellenleiterschicht 11 T ist, beträgt der effektive optische Brechungsindex der Wellenleiterschicht 11 neff. Nun wird die Feldverteilung (die Verteilung des elektrischen Feldes) der geführten Welle 14 im TEo- Mode beispielsweise so, wie es in Fig. 3A gezeigt ist. Wie in Fig. 3A gezeigt ist, tritt die geführte Welle, auch wenn sie geringfügig zur benachbarten Schicht 12 und zu dem Substrat 10 hinstrahlt, nicht in Wechselwirkung mit dem dielektrischen Gitter G, sondern sie breitet sich im Inneren der Wellenleiterschicht 11 aus, ohne aus dem Stapel zu strahlen. Dann wird ein elektrisches Feld zwischen die Elektroden eines Elektrodenpaares (in Fig. 1 nicht gezeigt) gelegt, welches sich direkt oder über eine Zwischenschicht auf der benachbarten Schicht 12 befindet. Auf diese Weise wird der optische Brechungsindex der benachbarten Schicht 12 an dem dem Raum P zwischen den Elektroden entsprechenden Abschnitt von n1 auf n1+Δn erhöht. Jetzt nimmt die Dispersionskurve einen Verlauf, wie er in Fig. 2B durch die gestrichelte Linie angegeben ist, und der effektive optische Brechungsindex neff der Wellenleiterschicht 12 erhöht sich auf n'eff. In diesem Fall ändert sich die Verteilung des elektrischen Feldes der geführten Welle, wie es in Fig. 3B gezeigt ist. Die zur benachbarten Schicht 12 hin streuende geführte Welle erhöht sich nämlich zu einem Ausmaß, in welchem sie im wesentlichen mit dem dielektrischen Gitter G in Wechselwirkung steht. Als Ergebnis wird das in Fig. 3B durch Schraffierung angedeutete Streulicht abgestrahlt und wandert nach oben (oder, abhängig vom Typ des dielektrischen Gitters G, nach unten oder nach oben und nach unten), und es wird praktisch die gesamte geführte Welle aus dem Stapel ausgestrahlt.
Wenn außerdem bei dem Aufbau nach Fig. 1 der optische Brechungsindex der benachbarten Schicht 12 von n1 auf n1+ Δn" geändert wird, das annähernd gleich dem effektiven optischen Brechungsindex n''eff der Wellenleiterschicht 11 ist, welcher sich ändert, wenn der optische Brechungsindex der benachbarten Schicht 12 geändert wird, erhält die Dispersionskurve den in Fig. 2C durch die strichpunktierte Linie angedeuteten Verlauf, und die geführte Welle ändert sich vom geführten Wellentyp in den Strahlungswellentyp und verschiebt sich zu der benachbarten Schicht 12. In diesem Fall ändert sich die Verteilung des elektrischen Feldes der geführten Welle, wie es in Fig. 3C gezeigt ist. Durch die Wechselwirkung mit dem dielektrischen Gitter G streut die geführte Welle zu der benachbarten Schicht 12 und wird abgestrahlt und breitet sich nach oben (und/oder nach unten) aus. Damit wird die geführte Welle rasch aus dem Stapel ausgestrahlt. Außerdem ist es durch Andern des optischen Brechungsindex n1 der benachbarten Schicht 12 auf einen Wert annähernd gleich oder größer als der optische Brechungsindex n2 der Wellenleiterschicht 11 möglich, die Bedingungen für die Totalreflexion der im Inneren der Wellenleiterschicht 11 geführten Welle zu ändern, um auf diese Weise die geführte Welle zu der benachbarten Schicht 12 zu verschieben und sie durch Wechselwirkung mit dem dielektrischen Gitter G aus dem Stapel auszustrahlen. Anstatt die benachbarte Schicht 12 durch das thermooptische Material zu bilden und ihren optischen Brechungsindex zu ändern, ist es ebenfalls möglich, die Wellenleiterschicht 12 durch Verwendung eines thermooptischen Materials zu bilden, das Elektrodenpaar an der Wellenleiterschicht 11 anzuordnen, und den optischen Brechungsindex der Wellenleiterschicht zu ändern (zu verringern). Man kann auch sowohl die Wellenleiterschicht 11 als auch die benachbarte Schicht 12 durch Verwendung eines thermooptischen Materials ausbilden und mit einem Elektrodenpaar ausstatten, um die optischen Brechungsindizes der Wellenleiterschicht 11 und der benachbarten Schicht 12 ändern zu können.
Wenn aus dem Stapel ausgestrahltes Licht als moduliertes Licht verwendet werden soll, sollte das dielektrische Gitter G vorzugsweise als ein fokussierender Gitterkoppler ausgebildet werden. In diesem Fall konvergiert das aus dem Stapel ausgestrahlte Licht zu einem einzelnen Fleck, und es wird möglich, eine Lichtstreuung zu vermeiden.
Die Wellenleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist anwendbar bei einer Lichtstrahlabtastvorrichtung, die in einer Lichtstrahlabtast- Aufzeichnungsvorrichtung, einer Lichtstrahlabtast- Lesevorrichtung oder dergleichen eingesetzt wird. Wenn die Wellenleitervorrichtung bei der Lichtstrahlabtastvorrichtung angewendet wird, ist es möglich, die Lichtstrahlabtastvorrichtung derart auszubilden, daß eine einzelne Lichtquelle verwendet wird. Daher tritt bei der erfindungsgemäßen Wellenleitervorrichtung das Problem von Schwankungen in der Lichtemissionsintensität der Lichtquelle, wie es im Fall eines LED-Feldes oder dergleichen gegeben ist, nicht auf, und es ist möglich, eine Abtastung exakt durchzuführen und die Lichtausbeute der Lichtquelle zu verbessern. Da außerdem kein mechanischer Betriebsabschnitt verwendet wird, zeichnet sich die Wellenleitervorrichtung durch hohe Haltbarkeit und hohe Vibrationsbeständigkeit aus, und sie läßt sich einfach einstellen. Da außerdem die Abtastung durchgeführt werden kann, ohne den Lichtstrahl stark zu verschwenken, ist es möglich, eine voluminöse Bauweise des Lichtstrahlabtastsystems zu verhindern und die Lichtstrahlabtast-Aufzeichnungsvorrichtung oder die Lichtstrahlabtast-Lesevorrichtung klein zu bauen.
Da bei der Wellenleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die geführte Welle durch das dielektrische Gitter wirksam aus der Wellenleiterschicht herausgegriffen werden kann, ist es möglich, das Extinktionsverhältnis wesentlich zu verbessern, wenn die Vorrichtung bei einem Lichtmodulator angewendet wird.
Da außerdem die benachbarte Schicht und die Wellenleiterschicht jeweils aus einem thermooptischen Material gebildet sind, in welchem der Wärmekoeffizient des optischen Brechungsindex positiv ist, sowie einem thermooptischen Material, bei dem der Wärmekoeffizient des optischen Brechungsindex Null oder Negativ ist, ist es möglich, das Licht aus der benachbarten Schicht dadurch auszustrahlen, daß relativ geringe Temperaturänderungen in diesen Schichten veranlaßt werden, um die Anforderungen an die Heizenergie zu minimieren.
Mit der Wellenleitervorrichtung läßt sich die Lichtstrahlabtastvorrichtung herstellen, indem mehrere Heizeinrichtungen vorgesehen werden, um mehrere in einer Linie positionierte Heizabschnitte aufzuheizen, wobei eine Treiberschaltung sequentiell und selektiv die Heizeinrichtungen in einen vorbestimmten Heizzustand erregt. Außerdem kann der Lichtmodulator mit der Wellenleitervorrichtung hergestellt werden, indem eine einzelne Heizvorrichtung und eine Treiberschaltung zum Erregen der Heizeinrichtung auf der Grundlage eines Bildsignals oder dergleichen in einen vorbestimmten Heizzustand vorgesehen werden.
Wenn in der Wellenleitervorrichtung die benachbarte Schicht von der Heizeinrichtung erwärmt wird, wird auch die Wellenleiterschicht erwärmt, und die Bedingung n2> n1 im Normalzustand (in diesem Fall im Zustand der Nicht-Erwärmung) zwischen dem optischen Brechungsindex n2 der Wellenleiterschicht und dem optischen Brechungsindex n1 der benachbarten Schicht ändert sich, so daß die Differenz n2-n1 klein wird oder daß n2≤n1. Deshalb ist es möglich, die geführte Welle aus dem Stapel herauszugreifen. Da ferner ein thermooptisches Material, bei dem der Wärmekoeffizient des optischen Brechungsindex null oder negativ ist, zur Bildung der Wellenleiterschicht verwendet wird, während ein thermooptisches Material, bei dem der Wärmekoeffizient des optischen Brechungsindex positiv ist, zur Bildung der benachbarten Schicht verwendet wird, ist es möglich, die Differenz n2-n1 sehr klein zu machen oder n2≤n1 einzustellen, ohne die benachbarte Schicht und die Wellenleiterschicht sehr stark zu erwärmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine anschauliche Darstellung des Mechanismus der Lichtmodulation in dem erfindungsgemäßen Lichtmodulator,
Fig. 2A, 2B und 2C sind grafische Darstellungen, welche die Dispersionskurven des Aufbaus nach Fig. 1 zeigen.
Fig. 3A, 3B und 3C sind schematische Ansichten, welche die Verteilung des elektrischen Feldes der geführten Welle in dem Aufbau nach Fig. 1 veranschaulichen.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtmodulators zeigt,
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtmodulators zeigt,
Fig. 6 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem optischen Brechungsindex der benachbarten Schicht und deren Dicke in dem geführten Modus zeigt,
Fig. 7 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem optischen Brechungsindex der benachbarten Schicht und der Dicke der Wellenleiterschicht in dem geführten Modus,
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer Lichtstrahlabtastvorrichtung, die gebildet wird durch Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenleitervorrichtung,
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, welches die elektrische Schaltung in der Lichtstrahlabtastvorrichtung nach Fig. 8 zeigt,
Fig. 10 und 11 sind Seitenansichten die die Hauptteile weiterer Beispiele der unter Ver wendung der erfindungsgemäßen Wellenleitervorrichtung gebildeten Lichtstrahlabtastvorrichtung zeigen, und
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Lichtmodulator zeigt, welcher durch Verwendung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenleitervorrichtung gebildet ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung in weiterer Einzelheit unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Gemäß Fig. 4 enthält ein Lichtmodulator 20 ein Substrat 10 und einen auf dem Substrat 10 befindlichen Stapel 13. Der Stapel 13 wird gebildet durch eine Wellenleiterschicht 11 und eine in enger Berührung mit der Wellenleiterschicht 11 stehende benachbarte Schicht 12. Beispielsweise ist die benachbarte Schicht 12 aus einem elektrooptischen Material gebildet. Die Wellenleiterschicht 11, die benachbarte Schicht 12 und das Substrat 10 sind durch Stoffe gebildet, die die Bedingung n2> n1, n3 erfüllen, wobei n2 und n3 jeweils die optischen Brechungsindizes der Wellenleiterschicht 1 und des Substrats 10 bezeichnen, während n1 den optischen Brechungsindex der benachbarten Schicht 12 bezeichnet, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird, so daß sich Licht im Inneren der Wellenleiterschicht 11 ausbreiten kann. Die Kombination der Stoffe der Wellenleiterschicht 11, der benachbarten Schicht 12 und des Substrat kann [NB&sub2;O&sub5;:K&sub3;Li&sub2;Nb&sub5;O&sub1;&sub5;:Glas], [Nb&sub2;O&sub5;:LiNbO&sub3;:Glas] oder dergleichen sein. Die Wellenleiter-Konfigurationen sind im einzelnen beispielsweise in T. Tamir, "Integrated Optics", Topics in Applied Physics, Vol. 7, Springer-Verlag 1975 und Nishibara u.a. "Integrated Optical Circuit", Ohm, 1985, beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann jede der bekannten Wellenleiter-Konfigurationen als Kombination der Wellenleiterschicht 11, der benachbarten Schicht 12 mit dem Substrat 10 verwendet werden. Beispielsweise kann die Dicke der Wellenleiterschicht 11 in dem Bereich von 0,5 um bis 10 um liegen, die Dicke der benachbarten Schicht 12 kann in dem Bereich von 1 um bis 50 um liegen, und die Dicke des Substrats kann 1 um oder mehr betragen.
In der benachbarten Schicht 12 ist ein Paar von Elektroden A1 und A2 vorgesehen. Die Elektroden A1 und A2 sind derart positioniert, daß der Abstand zwischen ihnen beispielsweise in dem Bereich von annähernd 10 um bis annähernd 5 mm liegt, und sie sind an einen auf dem Substrat 10 vorgesehenen Treiber 15 angeschlossen. Der Treiber 15 kann unabhängig vom Substrat 10 vorgesehen sein.
Auf der Oberfläche der benachbarten Schicht 12 ist an der dem Raum zwischen den Elektroden A1 und A2 entsprechenden Stelle ein dielektrisches Gitter G vorgesehen.
Andererseits ist die Wellenleiterschicht 11 an der Verlängerung des Raums zwischen den Elektroden A1 und A2 mit einer Wellenleiterlinse 16 ausgestattet. Das Substrat 10 ist mit einem Halbleiterlaser 17 versehen, der einen Laserstrahl 14' in Richtung auf die Wellenleiterlinse 16 in der Wellenleiterschicht 11 ausstrahlt.
Der in der oben beschriebenen Weise ausgebildete Lichtmodulator 20 wird wie folgt betrieben. Wenn der Laserstrahl 14' beispielsweise für die Bildaufzeichnung oder die optische Nachrichtenübermittlung verwendet wird, wird der Halbleiterlaser 17 aktiviert, so daß er den Laserstrahl 14' in die Wellenleiterschicht 11 abgibt. Der Laserstrahl 14' wird von der Wellenleiterlinse 16 zu einem Laserstrahl 14 paralleler Strahlen gebündelt, der sich in dem Abschnitt zwischen den Elektroden A1 und A2 im Inneren der Wellenleiterschicht 11 im geführten Modus ausbreitet. Der Laserstrahl (die geführte Welle) 14, die sich im Inneren der Wellenleiterschicht 11 ausbreitet, wird beispielsweise über ein Kopplerprisma 18 aus der Wellenleiterschicht 11 ausgestrahlt.
An die Elektroden A1 und A2 wird von dem Treiber 15 eine vorbestimmte Spannung angelegt, beispielsweise basierend auf einem Bildsignal. Wenn auf diese Weise ein elektrisches Feld an den Raum zwischen den Elektroden A1 und A2 gelegt wird, erhöht sich der optische Brechungsindex der benachbarten Schicht 12 an demjenigen Abschnitt, an welchem das elektrische Feld angelegt wurde. Als Ergebnis wird der geführte Laserstrahl 14 aus der Wellenleiterschicht 11 zu der benachbarten Schicht 12 an dem dem Raum zwischen den Elektroden A1 und A2 entsprechenden Abschnitt gestrahlt, und wird aus der benachbarten Schicht 12 durch die Beugungswirkung des dielektrischen Gitters G abgestrahlt, wie es oben erwähnt wurde. Wenn ein Teil des geführten Laserstrahls 14 auf diese Weise aus der Wellenleiterschicht 11 ausgestrahlt wird, nimmt die Stärke eines aus dem Kopplerprisma 18 ausgestrahlten Laserstrahls 14" proportional ab. Wenn daher das Anlegen der Spannung an die Elektroden A1 und A2 gesteuert wird, ist es möglich, den emittierten Laserstrahl 14" zu modulieren. Da das Herausgreifen des geführten Laserstrahls B durch die Wechselwirkung zwischen dem geführten Laserstrahl 14, der ausstreut, und dem dielektrischen Gitter G mit einer hohen Effizienz erfolgt, die ausreicht, um praktisch den gesamten geführten Laserstrahl 14 abzunehmen, ist es möglich, das Extinktionsverhältnis des emittierten Laserstrahls 14", welches das modulierte Licht ist, zu verbessern.
Anstatt den Halbleiterlaser 17 direkt mit der Wellenleiterschicht 11 zu koppeln, kann der Laserstrahl dazu gebracht werden, über eine Linse, ein Kopplerprisma, einen Gitterkoppler oder dergleichen auf die Wellenleiterschicht 11 aufzutreffen. Um außerdem den Laserstrahl 14'', welcher das modulierte Licht darstellt, aus der Wellenleiterschicht 11 herauszuemittieren, kann auch irgendein anderes Element als das Kopplerprisma 18 verwendet werden. Der Halbleiterlaser 17 kann auch einstückig mit der Wellenleiterschicht 11 ausgebildet werden, wenn die Wellenleiterschicht 11 gebildet wird. Die Lichtquelle zum Emittieren des Abtastlichts ist nicht auf den Halbleiterlaser 17 beschränkt, sie kann auch ein Gaslaser, ein Festkörperlaser oder dergleichen sein.
Bei dieser Ausführungsform ist der Halbleiterlaser 17 mit der Wellenleiterschicht 11 gekoppelt, so daß der Laserstrahl 14 im Inneren der Wellenleiterschicht 11 geführt wird, beispielsweise als Wellentyp erster Ordnung. Fig. 6 und 7 zeigen die Beziehung zwischen dem optischen Brechungsindex n1 und der Dicke der benachbarten Schicht 12 bzw. die Beziehung zwischen dem optischen Brechungsindex n1 der benachbarten Schicht 12 und der Dicke der Wellenleiterschicht 11 für verschiedene Ordnungen der geführten Moden, wenn der optische Brechungsindex n2 1,544 und der optische Brechungsindex n3 1,457 beträgt. Aus den Fig. 6 und 7 ist ersichtlich, daß, wenn der optische Brechungsindex n1 beipsielsweise 1,518 beträgt, die Dicke der benachbarten Welle 12 etwa 55 um und die Dicke der Wellenleiterschicht 11 etwa 0,4 um fuur den Modus nullter Ordnung beträgt. Beim Wellentyp erster Ordnung beträgt die Dicke der benachbarten Schicht 12 annähernd 22 um, und die Dicke der Wellenleiterschicht 11 beträgt annähernd 1,5 um. Damit ist die Dicke der benachbarten Schicht 12 beim geführten Wellentyp erster Ordnung kleiner als die Hälfte ihrer Dicke beim geführten Wellentyp nullter Ordnung. Weiterhin beträgt das Verhältnis der Dicke der benachbarten Schicht 12 zu der Dicke der Wellenleiterschicht 11 beim Wellentyp nullter Ordnung annähernd 138 (=55/0,4) und beim Wellentyp erster Ordnung etwa 15 (=22/1,5).
Beim Ausführungsbeispiel, in welchem der geführte Wellentyp auf den Wellentyp erster Ordnung eingestellt wird, läßt sich die Ausbildung der benachbarten Schicht 12 durch Zerstäubung oder dergleichen einfach durchführen, weil die Dicke der benachbarten Schicht 12 wesentlich kleiner wird als in dem Fall, daß der geführte Wellentyp der Wellentyp nullter Ordnung ist. Da weiterhin die Differenz zwischen der Dicke der Wellenleiterschicht 11 und der Dicke der benachbarten Schicht 12 sehr gering wird, ist es möglich, das Problem zu vermeiden, welches dadurch entsteht, daß die Bildung der Schichten schwierig wird aufgrund einer Differenz der Wärmeausdehnung zwischen der Wellenleiterschicht 11 und der benachbarten Schicht 12.
Bei dieser Ausführungsform ist die Ordnung des geführten Wellentyps nicht auf die erste Ordnung begrenzt und kann die nullte Ordnung sein. Wie allerdings aus den Fig. 6 und 7 deutlich wird, lassen sich stärkere Effekte erzielen, wenn der geführte Wellentyp auf eine höhere Ordnung eingestellt wird. Da außerdem die Wechselwirkung zwischen dem dielektrischen Gitter G und dem geführten Laserstrahl 14 zunimmt, wenn die Ordnung des geführten Wellentyps auf eine höhere Ordnung eingestellt wird, sollte der geführte Wellentyp vorzugsweise auf einen der höheren Ordnung eingestellt werden, auch um die Effizienz beim Herausführen der geführten Welle aus der Wellenleiterschicht 11 zu verbessern.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtmodulators beschrieben. In Fig. 5 sind ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen numeriert wie in Fig. 4. Bei dieser Ausführungsform wird das auf der Oberfläche der benachbarten Schicht 12 angeordnete dielektrische Gitter G als fokussierender Gitterkoppler ausgebildet, und der Laserstrahl 14 wird von dem dielektrischen Gitter G auf einen einzelnen Fleck gestrahlt. Der fokussierende Gitterkoppler G wird gebildet, indem Gittermuster ähnlich einer Kurve zweiter Ordnung in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 14 im Inneren der Wellenleiterschicht 14 angeordnet werden und die Krümmung jedes Musters und die Gitterkonstante derart geändert werden, daß die konvergierende Wirkung erreicht wird. Der fokussierende Gitterkoppler ist im einzelnen beispielsweise beschrieben in Technical Research Report OQC83-84, The Institute of Electronics and Communication Engineers Japan, Seiten 47 bis 54.
Der auf einen einzelnen Fleck gebündelte Laserstrahl 14 wird von einem Lichtdeflektor 13 abgelenkt, welcher durch einen Galvanometerspiegel oder dergleichen gebildet ist, so daß ein gebündelter Fleck P des Laserstrahls 14 ein lichtempfindliches Material 31 in einer Richtung (Hauptabtastrichtung) abtastet. Wenn daher das lichtempfindliche Material 31 gleichzeitig in Nebenabtastrichtung etwa senkrecht zur Hauptabtastrichtung bewegt wird, wird es von dem gebündelten Fleck P zweidimensional abgetastet. Wenn außerdem die Anlegung der Spannung an die Elektroden A1 und A2 wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 gesteuert wird, wird der von dem dielektrischen Gitter G ausgestrahlte Laserstrahl (Abtastlicht) 14 moduliert, und es ist möglich, durch den emittierten Laserstrahl 14 auf dem lichtempfindlichen Material 31 ein Bild aufzuzeichnen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 wird der von dem dielektrischen Gitter G abgestrahlte Laserstrahl 14 als moduliertes Licht verwendet. Deshalb braucht das Kopplerprisma 18 der Ausführungsform nach Fig. 4 oder dergleichen nicht verwendet zu werden, um den Laserstrahl 14, der den Raum zwischen den Elektroden A1 und A2 durchläuft und sich im Inneren der Wellenleiterschicht 11 ausbreitet, aus der Wellenleiterschicht 11 zu emittieren.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 12 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wellenleitervorrichtung beschrieben. In den Fig. 8 bis 12 sind ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie in den Fig. 4 und 5.
Gemäß Fig. 8, die eine Lichtstrahlabtastvorrichtung 40 zeigt, gebildet durch Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenleitervorrichtung, wird die Wellenleiterschicht 11 aus einem thermooptischen Material gebildet, in welchem der Wärmeausdehnungskoeffizient des optischen Brechungssindex null oder negativ ist, während die benachbarte Schicht 12 aus einem thermooptischen Material besteht, dessen Wärmekoeffizient des optischen Brechungsindex positiv ist. Die Wellenleiterschicht 11, die benachbarte Schicht 12 und das Substrat 10 sind aus Stoffen gebildet, welche der Bedingung n2> n1, n3 genügen, wobei n3 der optische Brechungsindex des Substrats 10 ist und n1 und n2 den optischen Brechungsindex der benachbarten Schicht 12 bzw. der Wellenleiterschicht 11 im nicht-erwärmten Zustand bezeichnen. Als Kombination aus der benachbarten Schicht 12, der Wellenleiterschicht 11 und dem Substrat 10 kann beispielsweise optisches Glas KF9 (+2,9x10&supmin;&sup6;/ºC), BAK2 (-0,1x10&supmin;&sup6;/ºC) und FK3(-2,0x10&supmin;&sup6;/ºC), geliefert von der Firma Schot Company, Westdeutschland, verwendet werden, wobei die optischen Brechungsindizes n1, n2 und n3 bezüglich eines He-Ne-Laserstrahls einer Wellenlänge von 632,8 nm jeweils 1,52; 1,54 bzw. 1,46 betragen. Ferner kann optisches Glas PK2 (+1,4x10&supmin;&sup6;/ºC), KF1 (-0,4x10&supmin;&sup6;/ºC) und FK3; optisches Glas BK7 (+1,2x10&supmin;&sup6;/ºC), BAK2 (-0,1x10&supmin;&sup6;/ºC) und FK3; optisches Glas KF9 (+2,9x10&supmin;&sup6;/ºC), BAK2 (0,0x10&supmin;&sup6;/ºC), und FK3 oder dergleichen verwendet werden, wobei der Wert in Klammern den absoluten Wärmekoeffizienten Δn/ΔT bei +20 ºC bis +40 ºC angibt. Als thermooptisches Material kann man auch einen Kristall, ein Kunststoffmaterial oder dergleichen verwenden, solange die Erfordernisse hinsichtlich des optischen Brechungsindex und die Änderungen des optischen Brechungsindex mit der Temperatur erfüllt sind.
Auf der Oberfläche der benachbarten Schicht 12 sind in einer Linie dielektrische Gitter G1, G2, G3 ....Gn angeordnet, hergestellt aus einem transparenten elektrothermischen Material. Als transparentes elektrothermisches Material ist es möglich, beispielsweise ein Material zu verwenden, welches durch In&sub2;O&sub3; und SnO&sub2; gebildet wird. Die Größen der dielektrischen Gitter G1, G2, G3 .... Gn können beispielsweise in dem Bereich von annähernd 10 x 10 um bis 0,2 x 5 mm liegen, und die Abstände dazwischen können in dem Bereich von etwa 100 um bis 200 um liegen. Die Gitterelemente, welche jedes der dielektrischen Gitter G1, G2, G3... Gn bilden, sind an ihren entgegengesetzten Enden elektrisch miteinander verbunden, und die dielektrischen Gitter G1, G2, G3.....Gn sind an den auf dem Substrat 10 gebildeten Treiber 15 angeschlossen.
Andererseits ist die Wellenleiterschicht 11 in der Verlängerung der Anordnungsrichtung der dielektrischen Gitter G1, G2, G3 .... Gn mit der Wellenleiterlinse 16 ausgestattet.
Fig. 9 zeigt eine Treiberschaltung 21 für die Lichtstrahlabtastvorrichtung 40. Im folgenden wird die Arbeitsweise der Lichtstrahlabtastvorrichtung 40 unter Bezugnahme auf Fig. 8 und 9 erläutert. Der von dem Halbleiterlaser 17 in die Wellenleiterschicht 11 emittierte Laserstrahl 14' wird von der Wellenleiterlinse in den Laserstrahl 14 paralleler Strahlen umgesetzt, und der Laserstrahl 14 breitet sich im Inneren der Wellenleiterschicht 11 im geführten Modus in Ausbreitungsrichtung der dielektrischen Gitter G1, G2, G3 .... Gn aus, wie in Fig. 8 gezeigt ist. An die dielektrischen Gitter G1, G2, G3 ... Gn wird über den Treiber 15 von einer elektrischen Heizleistungsquelle 22 ein Strom I geliefert. Der Treiber 15 wird durch das Ausgangssignal eines synchron mit einem Taktsignal CLK betriebenen Schieberegisters 23 aktiviert und wählt sequentiell die dielektrischen Gitter G1, G2, G3 ... Gn einzeln für die Zufuhr des Stroms I aus. Speziell wird der Strom I zunächst an das dielektrische Gitter G1 angelegt, dann an das zweite dielektrische Gitter G2, und so fort. Wenn der Strom I nacheinander an die dielektrischen Gitter G1, G2, G3 .... Gn angelegt wird, erzeugen diese sequentiell Wärme, und die benachbarte Schicht 12 und die Wellenleiterschicht 11 werden an dem dem erwärmten dielektrischen Gitter gegenüberliegenden Abschnitt erwärmt. Als Folge davon steigt der optische Brechungsindex der benachbarten Schicht 12 an, während der optische Brechungsindex der Wellenleiterschicht 11 abnimmt. Folglich wird der geführte Laserstrahl 14 aus der Wellenleiterschicht 11 in die benachbarte Schicht 12 an demjenigen Abschnitt, an welchem die optischen Brechungsindizes geändert wurden, abgestrahlt und durch die Beugungswirkung der dielektrischen Gitter G1, G2, G3 .... Gn aus der benachbarten Schicht 12 ausgestrahlt. Damit ändert sich die Lage der Emission des Laserstrahls 14 aus der benachbarten Schicht 12 sequentiell von dem dielektrischen Gitter G1 zum dielektrischen Gitter G2, .... zum dielektrischen Gitter Gn, dann zum dielektrischen Gitter G1, und so fort. Daher wird das Abtastmaterial 31 von dem emittierten Laserstrahl 14 in Hauptabtastrichtung abgetastet, wie in Fig. 8 durch den Pfeil X angedeutet ist. [Das Anlegen des Stroms an die dielektrischen Gitter G1, G2, G3 .... Gn kann auch derart gesteuert werden, daß die Position der Emission des Lasersstrahls 14 sich in der Reihenfolge der dielektrischen Gitter G1TG2T... Gn TG (n-1) G(n-2) ...... ändert) . Während das Abtastmaterial 31 in Hauptabtastrichtung abgetastet wird, wird es in Pfeilrichtung Y in Fig. 8 synchron mit der Abtastung in Hauptabtastrichtung unter Verwendung des Taktsignals CLK bewegt. Auf diese Weise wird das Abtastmaterial 31 in zwei Richtungen abgetastet.
Da die benachbarte Schicht 12 und die Wellenleiterschicht 11 aus einem thermooptischen Material bestehen, in welchem der Wärmekoeffizient des optischen Brechungsindex positiv ist, bzw. aus einem Material gebildet ist, in welchem der Wärmekoeffizient des optischen Brechungsindex null oder negativ ist, ist es möglich, den Laserstrahl 14 durch lediglich geringfügiges Erwärmen der Schichten 11 und 12 aus der benachbarten Schicht 12 austreten zu lassen.
Bei dieser Ausführungsform sind die auf der Oberfläche der benachbarten Schicht 12 angeordneten dielektrischen Gitter G1, G2, G3 .... Gn als fokussierende Gitterkoppler ausgebildet, und der Laserstrahl 14, der von den dielektrischen Gittern G1, G2, G3 .... Gn abgestrahlt wird, wird auf einem einzelnen Fleck auf dem Abtastmaterial 31 gebündelt.

Claims

1. Lichtmodulator, umfassend:

i) einen Stapel (13) aus einer Wellenleiterschicht (11) und einer benachbarten Schicht (12), die normalerweise einen optischen Brechungsindex (n1) hat, der kleiner ist als der optische Brechungsindex (n2) der Wellenleiterschicht (11), und die in enger Berührung mit der Wellenleiterschicht (11) steht, wobei mindestens eine Schicht von der Wellenleiterschicht (11) und der benachbarten Schicht (12) aus einem Material gebildet ist, dessen optischer Brechungsindex sich durch Aufbringung von Energie ändert,

ii) eine Energieaufbringeinrichtung (A1, A2), die an der Wellenleiterschicht (11) und/oder der benachbarten Schicht (12) entlang dem optischen Weg einer geführten Welle, die sich im Innern der Wellenleiterschicht (11) fortpflanzt, positioniert ist,

iii) ein dielektrisches Gitter (G), das an der Oberfläche der benachbarten Schicht (12) zumindest über einem Abschnitt der Schicht, wo Energie von der Energieaufbringeinrichtung (A1, A2) aufgebracht wird, angeordnet ist, und

iv) eine Treiberschaltung (15) zum Erregen der Energieaufbringeinrichtung (A1, A2) in einen vorbestimmten Energieaufbringzustand, und zum Ändern des optischen Brechungsindex' (n2) der Wellenleiterschicht (11) und/oder des optischen Brechungsindex' (n1) der benachbarten Schicht (12), so daß die geführte Welle durch Wechselwirkung mit dem dielektrischen Gitter (G) an dem Abschnitt, an welchem Energie von der Energieaufbringeinrichtung (15) aufgebracht wird, aus dem Stapel abgelenkt wird, wobei das von dem Gitter abgelenkte Licht als moduliertes Licht verwendet wird.

2. Lichtmodulator nach Anspruch 1, bei dem das Material ein elektrooptisches Material ist, dessen optischer Brechungsindex (n1) sich mit dem Anlegen eines elektrischen Feldes ändert, die Energieaufbringeinrichtung ein Elektrodenpaar (A1, A2) ist, der Abschnitt, wo Energie aufgebracht wird, ein Elektrodenabstand zwischen den Elektroden (A1, A2) des Elektrodenpaars ist, und die Treiberschaltung (15) so ausgebildet ist, daß sie ein elektrisches Feld zwischen die Elektroden (A1, A2) des Elektrodenpaars legt.

3. Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der geführte Wellentyp der geführten Welle auf einen Wellentyp höherer Ordnung eingestellt wird.

4. Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das dielektrische Gitter ein fokussierender Gitterkoppler ist.

5. Wellenleitervorrichtung, umfassend:

i) einen Stapel (13) aus einer Wellenleiterschicht (11), die durch ein thermooptisches Material gebildet wird, in welchem der Wärmekoeffizient des optischen Brechungsindex (n2) Null oder negativ ist, und einer benachbarten Schicht (12), die aus einem thermooptischen Material gebildet ist, in welchem der Wärmekoeffizient des optischen Brechungsindex (n1) positiv ist und das einen optischen Brechungsindex (n1) kleiner als der optische Brechungsindex (n2) der Wellenleiterschicht (11) zeigt, wenn keine Beheizung erfolgt,

ii) eine Heizeinrichtung (G1, G2...22), die an einer Oberfläche der benachbarten Schicht (12) positioniert ist, um einen vorbestimmten Abschnitt entlang dem optischen Weg einer sich im Inneren der Wellenleiterschicht (11) fortpflanzenden, geführten Welle aufzuheizen, und

iii) ein dielektrisches Gitter (G1... Gn) an der Oberfläche der benachbarten Schicht an dem Heizabschnitt.

6. Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 5, bei der mehrere Heizeinrichtungen (G1, G2...22) vorgesehen sind, um mehrere der in einer Linie aufgereihten Heizabschnitte aufzuheizen.

7. Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der das dielektrische Gitter (G1.....Gn) aus einem transparenten thermooptischen Material gebildet ist und die Heizeinrichtung durch das dielektrische Gitter gebildet ist.

8. Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der das dielektrische Gitter (G1.....Gn) ein fokussierender Gitterkoppler ist.

9. Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der eine Linsenschicht (36) an der benachbarten Schicht (12) an einer dem dielektrischen Gitter (G1....Gn) entsprechenden Stelle vorgesehen ist.