DE4412254A1 - Optisches Koppelglied und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Optisches Koppelglied und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Koppelglied, das an einer Endfläche eines
Lichtleiters angeordnet ist und eine Fresnellinse mit strukturierten Zonen aufweist,
sowie auf Verfahren zu dessen Herstellung.
Auf dem Gebiet der integrierten Optik kommt optischen Verbindungsmitteln zwischen
aktiven und/oder passiven Wellenleiterstrukturen und mit optischen Fasern sowie dem
freien Raum zum Zweck des Ein- und Auskoppelns von Licht eine bedeutende Rolle
zu. Taperstrukturen sind technologisch schwierig herzustellen und eignen sich zur
Lösung der verschiedenartigen Koppelprobleme mehr oder weniger gut. Von den in
der integrierten Optik gebräuchlichen integriert optischen Linsen und speziellen
Gitterstrukturen sind die zuletzt genannten zum Ein- und/oder Auskoppeln von Licht
gegenüber derartigen Linsen vorzuziehen, auch wenn damit die erzielbare
Koppeleffizienz nicht sehr hoch ist.
Die Erfindung geht von dem aus der DE 37 35 032 A1 bekannten Stand der Technik
aus. Danach ist in einer am Ende eines Lichtwellenleiters aufzubringenden
Ankopplungsoptik das optisch abbildende Bauelement als Fresnellinse auszubilden,
insbesondere als eine auf der Endfläche des Lichtwellenleiters fotochemisch erzeugte
Struktur konzentrischer Ringzonen. Es handelt sich hierbei allerdings um eine
Ankopplungsoptik am Ende einer optischen Faser, die beide einen Durchmesser von
etwa 125 µm aufweisen.
Mikrolinsen lassen sich inzwischen auch in Dünnfilmtechnik herstellen. So wurde
anläßlich einer Konferenz in Neuchatel, CH, vom 13. bis 15. September 1993 (vgl.
IEE Konferenz-Band No. 379, Seiten 54 bis 59: "Thin film deposition; an alternative
technique for the fabrication of binary optics with high efficiency" - E. Pawlowski) über
die Konstruktion und Fabrikation von Fresnelzonenlinsen berichtet. Bei diesen
rotationssymmetrisch aufgebauten Linsen sind die strukturierten Zonen konzentrische
Ringe auf einer Substratoberfläche, d. h. die Hauptausbreitungsrichtung des Lichts
verläuft senkrecht zur Substratoberfläche, wobei ein Kinoformprofil das passierende
Licht kollimiert/fokussiert. Weitere, in diesem Zusammenhang stehende Einzelheiten
finden sich in "Optical Engineering" Feb. 1994, Bd. 33 Nr. 2, Seiten 647 bis 652
E. Pawlowski et al: "Diffractive microlenses with antireflection coatings fabricated by
thin film deposition".
Die Erfindung befaßt sich mit dem technischen Problem, für das Einkoppeln von Licht
in optische Wellenleiter sowie für das Auskoppeln des Lichts, das einen optischen
Wellenleiter verläßt und sich in einer optischen Faser oder im freien Raum fortpflanzen
soll, solche optischen Verbindungsmittel zu schaffen, die sich in der integrierten Optik
einsetzen und mit dort üblichen Technologien herstellen lassen und gegebenenfalls das
passierende Licht auch noch ablenken können.
Für ein optisches Koppelglied der eingangs genannten Art besteht die
erfindungsgemäße Lösung darin, daß das optische Koppelglied mit einem optischen
Wellenleiter ein monolithisch auf einem Substrat integriertes, aus planaren
Dünnschichten bestehendes Bauelement bildet, in dem eine Zylinderlinse mit senkrecht
zur Oberfläche des Substrats stehender Facette zwischen der Endfläche des
Wellenleiters und der Fresnelzonenlinse liegt, und die Fresnelzonenlinse mit einem
durch planare Stufen angenäherten Kinoformprofil ausgebildet ist.
Für die Herstellung eines solchen Koppelgliedes, wie auch für dessen bevorzugte
Ausbildungsformen, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird, ist
erfindungsgemäß vorgesehen, Prozesse anzuwenden, die zur Ausbildung der planaren
Dünnschichten als Streifen mit senkrechten Randzonen führen. Hierzu eignen sich
Depositionstechniken, insbesondere Ionenstrahlsputtern (Ion Beam Sputter
Deposition - IBSD -) oder die chemische Abscheidung aus der Dampfphase einer
metallorganischen Verbindung (Metal Organic Chemical Vapour Deposition
- MOCVD -), oder spezielle Epitaxien, insbesondere Molekularstrahlepitaxie
(Molecular Beam Epitaxy - MBE -, insbesondere Metal-Organic Molecular Beam
Epitaxy - MOMBE -), die sich auch sonst auf dem Gebiet der Integrierten Optik
bewährt haben. Darüber hinaus gewinnt zunehmend die Herstellung von
Wellenleitstrukturen aus Polymeren an Bedeutung.
Der auf dem Substrat als strukturierte planare Dünnschicht ausgebildete optische
Wellenleiter gibt mit seiner Achse sowohl für ein- als auch für auszukoppelndes Licht
die Hauptausbreitungsrichtung des Lichts vor. Wird die Oberfläche des Substrats als
x/z-Ebene und die Richtung der Normalen auf dieser Ebene mit y bezeichnet, und
verläuft die Achse des optischen Wellenleiters in z-Richtung, muß vom optischen
Koppelglied zum Kollimieren bzw. zum Fokussieren das passierende Licht sowohl in
x- als auch in y-Richtung abgelenkt werden. Für das Kollimieren/Fokussieren in die
x-Richtung sorgt die Zylinderlinse, deren Facette als Zylindermantel ausgebildet ist und
senkrecht zur Substratoberfläche verläuft. Passierendes Licht wird in x-Richtung
zusätzlich abgelenkt, wenn die Facette unsymmetrisch ausgebildet ist.
Die Funktion, das passierende Licht in y-Richtung zu kollimieren/fokussieren und
gegebenenfalls abzulenken, übernimmt die Fresnelzonenlinse. Ihr eindimensionales
Kinoformprofil ist durch planare, zur Substratoberfläche parallele Stufen angenähert,
so daß eine Kollimierung/Fokussierung in Fortpflanzungsrichtung bei einem
symmetrischen Kinoformprofil allein in Abhängigkeit des Abstandes des auftreffenden
Lichtstrahls von der Substratoberfläche erfolgt. In ihrer Wirkung entspricht eine solche
Fresnelzonenlinse mit symmetrischem Kinoformprofil damit einer unregelmäßigen
Struktur eines zur Substratoberfläche parallelen Gitters. In jeweils benachbarten Stufen
unterscheiden sich die optischen Weglängen für passierendes Licht infolge
unterschiedlicher Brechzahlen. Ein unsymmetrisches, eindimensionales Kinoformprofil
bewirkt eine Ablenkung des passierenden Lichts in y-Richtung, zusätzlich zur
Kollimierung/Fokussierung.
Ausbildungsformen der Erfindung beziehen sich hauptsächlich auf die
Fresnelzonenlinse im optischen Koppelglied, jedoch sodann auch hinsichtlich ihres
Zusammenwirkens mit übrigen Elementen, d. h. mit der Zylinderlinse und dem
optischen Wellenleiter im monolithisch integrierten Bauelement.
Die Fresnelzonenlinse muß auf jeden Fall aus zwei, wenn möglich aus mehreren
Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen n aufgebaut sein. Es ist vorteilhaft, daß
bei einer Fresnelzonenlinse, die aus einer geringen Anzahl von Materialien mit
unterschiedlichen Brechzahlen aufgebaut ist, ihr angenähertes eindimensionales
Kinoformprofil aus geometrisch voneinander abgesetzten Stufen besteht. Bei zwei
Materialien und nur einem geometrischen Absatz ergeben sich drei unterschiedliche
optische Weglängen, die erste mit der Brechzahl n₁ über die gesamte Länge der
Fresnelzonenlinse, die zweite mit der Brechzahl n₁ in einem der beiden Absätze und
der Brechzahl n₂ im anderen der beiden Absätze sowie die dritte optische Weglänge
mit Brechzahl n₂ über die gesamte Länge der Fresnelzonenlinse. Bei drei Materialien
und jeweils einer abgesetzten Stufe zwischen je zwei Materialien ergeben sich bereits
fünf verschiedene optische Weglängen, z. B. mit n₁; n₁/n₂, n₂; n₂/n₃; n₃. Bei zwei
Materialien erhöht sich die Anzahl unterschiedlicher optischer Weglängen jeweils um
eine mit jeweils einem weiteren Absatz. Es ist jedoch für die Herstellung einer jeden
solchen geometrisch abgesetzten Stufe ein getrennter Prozeßschritt mit eigener Maske
erforderlich, so daß dieser Ausbildungsform der Erfindung dann der Vorzug zu geben
ist, wenn sich die Materialien, die nicht nur die unterschiedlichen Brechzahlen
aufweisen müssen, sondern für das passierende Licht auch einen möglichst kleinen,
zudem noch möglichst gleichen Absorptionskoeffizienten ausweisen sollen, auf eine
geringe Anzahl, z. B. zwei oder drei, beschränkt.
Sind derartige Beschränkungen nicht ausschlaggebend und wird zudem ein einfacherer,
nur eine Maske für geometrisch gleichlange Wege benötigender Herstellungsprozeß für
die Fresnelzonenlinse bevorzugt, bietet die Erfindung eine alternative Ausbildungsform
derart, daß ihr angenähertes Kinoformprofil aus Phasenstufen besteht. Hierfür wird
lediglich ein Schichtenpaket benötigt, in dem jeder planaren Dünnschicht mit einer
bestimmten Brechzahl eine planare Dünnschicht mit einer anderen bestimmten
Brechzahl benachbart ist.
Bei beiden zuvor genannten Ausbildungsformen der Erfindung ist für zu
kollimierendes/fokussierendes Licht der Aufbau der planaren Dünnschichten in der
Fresnelzonenlinse spiegelsymmetrisch zu ihrer zur Substratoberfläche parallelen
Mittellinie. Die Annäherung an das Kinoformprofil ist dabei umso besser, je höher die
Anzahl der Stufen ist.
Bezüglich der Länge der Fresnelzonenlinse ist es aus technologischen Gesichtspunkten
besonders vorteilhaft, hierfür den 10 µm-Bereich vorzusehen, wobei gilt, daß
L = [K/(K+1)] [λ/Δn] ist, mit L = Länge in µm, K = Anzahl der geometrisch
voneinander abgesetzten Stufen, λ = Wellenlänge des passierenden Lichts in µm
und Δn = Differenz der Brechzahlen der Materialien zweier planar benachbarter Stufen.
Ist dieser Brechzahlunterschied aus materialtechnischen Gründen geringer als z. B. 0,1
für eine Lichtwellenlänge von z. B. 1 µm, wird die Länge L entsprechend größer. Im
allgemeinen sind in integriert optischen Bauelementen derartige Längenabmessungen
unkritisch, sowohl in Richtung zum 1 µm-Bereich, in dem Strukturen mit genügender
Genauigkeit und ausreichender mechanischer Stabilität erzeugt werden können, als
auch in Richtung zum 100 µm-Bereich, der für Lichtwellen leitende Strukturen der
verschiedensten Art ohnehin vorgesehen sein muß.
Mit einem optischen Koppelglied gemäß der Erfindung wird auf jeden Fall
auszukoppelndes Licht kollimiert, einzukoppelndes fokussiert. Das heißt, das
Wellenfeld im optischen Wellenleiter ist kompakter als jenseits der Fresnelzonenlinse.
Dementsprechend ist in weiterer Ausbildung eines erfindungsgemäßen Koppelgliedes
vorgesehen, daß sich der optische Wellenleiter, die Zylinderlinse und die
Fresnelzonenlinse in den Höhen der sie bildenden planaren Dünnschichten entsprechend
den Beziehungen
HW HZ und/oder HZ HF
unterscheiden, wobei die Indizes W, Z und F für Wellenleiter, Zylinderlinse und
Fresnelzonenlinse stehen. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß keine
unerwünschten Unsymmetrien des Wellenfeldes des ein- bzw. ausgekoppelten Lichts
entstehen.
Ein weiterer Schritt, ein optisches Koppelglied nach der technischen Lehre der
Erfindung zu schaffen, ergibt sich durch eine Vereinigung von Zylinderlinse und
Fresnelzonenlinse in einem einheitlichen Element. Dazu ist lediglich die
Fresnelzonenlinse mit zylindermantelförmigen Facetten zu versehen, d. h. die Funktion
der Zylinderlinse wird von der derart ausgebildeten Fresnelzonenlinse mit übernommen.
Für die Herstellung optischer Koppelglieder ist bereits weiter vorstehend die
erfindungsgemäß wesentliche Vorgehensweise, nämlich die Ausbildung der planaren
Dünnschichten als Streifen mit senkrechten Randzonen genannt. Hierfür sind z. B.
Prozesse üblich, die mit "SAE - Selective Area Epitaxy -" und "SSG - Surface
Selective Growth -" bezeichnet werden und sich für unterschiedliche Materialien der
integrierten Optik, insbesondere auf der Basis von Indiumphosphid - InP - und
Galliumarsenid - GaAs - eignen. Bei der erfindungsgemäßen Lehre zum technischen
Handeln kann also insoweit davon ausgegangen werden, daß dem auf diesem Gebiet
tätigen Fachmann vorhandenes Wissen und Können zur Verfügung steht.
Bezüglich der körperlichen Ausbildung kann von dieser Voraussetzung auch bei einem
weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines optischen Koppelgliedes
ausgegangen werden. Zur Realisierung des durch planare Stufen angenäherten
Kinoformprofils der Fresnelzonenlinse kann hierbei jedoch eine besonders vorteilhafte
Maßnahme zum Einsatz kommen. Diese technische Lehre besteht darin, daß eine
planare Dünnschicht aus einem Polymer zumindest für die Fresnelzonenlinse,
gegebenenfalls auch für die Zylinderlinse und/oder den optischen Wellenleiter verwendet
und zur funktionellen Bestimmung von Lagen mit unterschiedlichen Brechzahlen in der
Fresnelzonenlinse dort die Dünnschicht von der Frontfläche bzw. von den
Seitenflächen her in zur Oberfläche des Substrats parallelen Streifen mit
unterschiedlichen Lichtenergien bestrahlt wird. Die hierzu verwendbaren Polymere
ändern dabei nicht ihren Absorptionskoeffizienten und weisen auch ausreichende
Langzeitstabilität ihrer optischen Eigenschaften auf.
Zu den beiden erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren besteht eine vorteilhafte
Ausführungsform darin, daß aus homogenen Dünnschichten bestehende Komponenten,
wie der Wellenleiter und/oder die Zylinderlinse einerseits, und aus einem mehrlagigen
Paket planarer Dünnschichten mit unterschiedlichen Brechzahlen bestehende
Komponenten, wie die Fresnelzonenlinse andererseits, zeitlich voneinander getrennt
erzeugt werden.
In der Zeichnung sind Ausbildungsformen der Erfindung schematisch dargestellt. Dabei
zeigen:
Fig. 1 ein optisches Koppelglied in perspektivischer Darstellung, dazu drei, die
Funktionsweise dieses Koppelgliedes verdeutlichende Darstellungen der
Wellenfelder passierenden Lichts;
Fig. 2 bzw. 3 im Querschnitt den Aufbau von Fresnelzonenlinsen mit geometrisch
abgesetzten Stufen bzw. mit Phasenstufen;
Fig. 4 ein optisches Koppelglied mit zu einem Element vereinigter Zylinder- und
Fresnelzonenlinse, in perspektivischer Darstellung;
Fig. 5 ein Schaubild zur Verdeutlichung eines Herstellungsverfahrens eines optischen
Koppelgliedes, mit Darstellungen von sieben Strukturierungszuständen im
Verlauf der Herstellung
und
Fig. 6 und 7 zwei Schaubilder für den Verlauf der Brechzahl über der
Zusammensetzung der Materialien, aus denen eine Fresnelzonenlinse gemäß
der Erfindung aufgebaut ist.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau eines optischen Koppelgliedes 1 befinden sich
auf einem gemeinsamen Substrat 2 ein optischer Wellenleiter 3, eine Zylinderlinse 4
und eine Fresnelzonenlinse 5. Die drei Raumrichtungen, in denen sich das optische
Koppelglied i erstreckt, sind mit x, y, z bezeichnet. Danach ist die Oberfläche des
Substrats 2 eine x/z-Ebene, auf der planare Dünnschichten 6i (i = 1, 2, . . . , k)
angeordnet sind. Der Wellenleiter 3 und die Zylinderlinse 4 bestehen aus demselben
Material wie die mittlere planare Dünnschicht 6 in der Fresnelzonenlinse 4, das z. B. die
Brechzahl n₁ aufweist. Der Wellenleiter 3 und die Zylinderlinse 4 liegen dicht
aneinander bzw. gehen unmittelbar ineinander über. An dieser mit A bezeichneten
Stelle und im Wellenleiter 3 pflanzt sich monomodiges Licht in der skizzenhaft
dargestellten Form des Wellenfeldes fort. Die Zylinderlinse 4 ist mit senkrecht auf der
Oberfläche des Substrats 2 stehender Facette ausgebildet. Das dort passierende Licht
wird in x-Richtung kollimiert/fokussiert, wie ein Vergleich der Formen der
Wellenfelder an den Stellen A und B verdeutlicht.
Zwischen der Zylinderlinse 4 und der Fresnelzonenlinse 5 befindet sich im allgemeinen
ein Medium mit einer Brechzahl, durch die der Krümmungsradius der Zylinderlinse 4
bestimmt wird. Dieses Medium übt damit keinen optischen Einfluß auf die Brechkraft
der Fresnelzonenlinse 5 aus. In der Fresnelzonenlinse 5 wird passierendes Licht infolge
unterschiedlicher Brechzahlen n in den planaren Dünnschichten 6i in y-Richtung
kollimiert/fokussiert. Soll für hier passierendes, seine Hauptausbreitungsrichtung nicht
veränderndes Licht nur eine reine Bündelung herbeigeführt werden, ergibt sich für die
geometrische Anordnung der planaren Dünnschichten 6i ein spiegelsymmetrischer
Aufbau mit einer jeweils paarweisen Zuordnung bezüglich ihrer Dicke und ihrer
Brechzahlen ni. An der mit C bezeichneten Stelle, der Frontfläche des optischen
Koppelgliedes 1, weist das aus- bzw. eingekoppelte Licht ein Wellenfeld in der
skizzierten Form auf, d. h. das optische Koppelglied 1 passierende Licht ist gegenüber
der Stelle B in y-Richtung und gegenüber der Stelle A in x-Richtung
kollimiert/fokussiert.
In den Fig. 2 und 3 sind Fresnelzonenlinsen 5 im Querschnitt dargestellt, die beide ein
durch planare Stufen angenähertes Kinoformprofil aufweisen.
Die planaren Stufen in der Fresnelzonenlinse 5 gemäß Fig. 2 sind aus zwei Materialien
mit unterschiedlichen Brechzahlen n₁, n₂ aufgebaut, die zudem geometrisch
voneinander abgesetzt sind. In der dargestellten Ausbildungsform sind jeweils zwei
Absätze vorgesehen, so daß sich in verschiedenen Höhenlagen unterschiedliche
optische Weglängen ergeben. Bei der Stufe in Höhe der Achse geben die Brechzahl n₁
und die gesamte Länge in Achsrichtung eine erste optische Weglänge vor, in den dazu
paarweise benachbarten Stufen die Brechzahl n₁ über 2/3 der Gesamtlänge und die
Brechzahl n₂ über 1/3 der Gesamtlänge eine zweite optische Weglänge, sodann die
Brechzahl n₁ über 1/3 der Gesamtlänge und die Brechzahl n₂ über 2/3 der
Gesamtlänge die dritte optische Weglänge und schließlich die Brechzahl n₂ über die
Gesamtlänge der Fresnelzonenlinse 5 die vierte optische Weglänge vor. Die Stufen sind
zudem mit unterschiedlichen Höhen ausgebildet, so daß passierendes Licht in der
Zeichenebene eine Kollimierung/Fokussierung erfährt. Bei spiegelsymmetrisch zur
Achse der Fresnelzonenlinse 5 aufgebauten Stufen findet reine
Kollimierung/Fokussierung statt. Wird eine zusätzliche Ablenkung des passierenden
Lichts gewünscht, ist der Aufbau unsymmetrisch ausführbar.
Bei der Herstellung ist jede planare Stufe mit der entsprechenden Maskierung
auszubilden. Die Anzahl geometrisch innerhalb eines Materials abgesetzter Stufen kann
auf zwei verringert sowie auf vier und mehr vergrößert werden, ebenso die Anzahl der
Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen n₁, n₂, n₃, . . . , ohne daß sich am Prinzip
dieses Kinoformprofils etwas ändert.
Gemäß Fig. 3 besteht das angenäherte Kinoformprofil aus Phasenstufen. Diese werden,
jeweils über die gesamte Länge der Fresnelzonenlinse 5 in Achsrichtung, aus planaren
Schichten mit unterschiedlichen Brechzahlen n₁, n₂, n₃, n₄, . . . gebildet, die sich zudem
in ihrer Dicke unterscheiden. Auch für diese Ausbildungsform gilt wie für die gemäß
Fig. 2, daß für reine Bündelung passierenden Lichts ein spiegelsymmetrischer, für eine
zusätzliche Ablenkung ein unsymmetrischer Aufbau der planaren Schichten zur
Anwendung kommt.
Die Annäherung an das Kinoformprofil ist umso besser, je mehr planare, geometrisch
voneinander abgesetzte oder Phasen-Stufen vorgesehen sind.
Das in Fig. 4 dargestellte optische Koppelglied 1 dient zur Veranschaulichung weiterer
Merkmale der Erfindung.
Der optische Wellenleiter 3 besteht aus einer planaren Schicht mit der Brechzahl n₁
und hat die Höhe HW. In planare Schichten mit der Brechzahl n₂ ober- und unterhalb
der eigentlichen, die Welle führenden Schicht erstreckt sich das Wellenfeld auch noch.
Dementsprechend ist jenseits der Endfläche des optischen Wellenleiters 3 die Höhe HZ
für die Zylinderlinse größer als HW auszubilden. Herstellungstechnisch bietet sich an,
in die Höhe HZ die Höhen der beiden planaren Dünnschichten mit der Brechzahl n₂
ober- und unterhalb des optischen Wellenleiters 3 voll einzubeziehen. Geschieht dies
nur zum Teil, kann HF, die Höhe der Fresnellinse, auch etwas größer als HZ sein,
ansonsten ergeben sich bei gleichen Abmessungen für HZ und HF keine gravierenden
funktionellen Unterschiede.
Weiterhin ist Fig. 4 zu entnehmen, daß die Zylinderlinse und die Fresnelzonenlinse in
einem einheitlichen Element 7 vereinigt sein können. Der Aufbau der planaren
Schichten mit unterschiedlichen Brechzahlen ni entspricht dem gemäß Fig. 2 oder Fig.
3, die Ausbildung der Facette der Zylinderlinse dem entsprechend der Darstellung in
Fig. 1 und den zugehörigen Erläuterungen.
Die Herstellung eines optischen Koppelgliedes ist auf einfache Weise durchführbar. Die
Fig. 5 zeigt sieben Zustände:
- 1. Das gereinigte Substrat ist mit zwei planaren Schichten versehen, der Mantelschicht (Cladding) unterhalb des Wellenleiters und der Kernschicht (Core) des Wellenleiters;
- 2. Ein Resistmaterial zur Strukturierung des Wellenleiters wird aufgebracht und ausgehärtet. Dazu wird das Muster einer ersten Maske in das Resistmaterial übertragen;
- 3. Die wellenleitenden Strukturen werden ausgebildet, z. B. durch Ionenstrahlätzen (Ion Beam Etching - IBE);
- 4. Ähnlich Zustand #2, Strukturierung der wellenleitenden Schichten mit zweiter Maske, Ätzen der Kontur der Zylinderlinse;
- 5. Weiterer Photoresistschritt, als Vorbereitung zur Ausbildung der Fresnelzonenlinse;
- 6. Ausbildung der Fresnelzonenlinse z. B. mittels Ionenstrahlsputtern (IBSB) von SiOx-Schichten und Entfernung des Photoresists aus Zustand #5;
- 7. Beschichtung (Cladding) des optischen Koppelgliedes und der Kernschicht des Wellenleiters.
Die Fig. 6 und 7 zeigen den Verlauf der Brechzahl n für unterschiedliche Materialien,
jeweils bei einer bestimmten Wellenlänge λ. Bei SiOx - vgl. Fig. 6 - liegt die
Brechungszahl zwischen etwa 1,5 und 3,4 je nach Sauerstoffkonzentration, die nach
Belieben z. B. beim Ionenstrahlsputtern eingestellt werden kann. Bei AlxGa1-xAs-Ma
terial - vgl. Fig. 7 - sind je nach Zusammensetzung des ternären Materials
Brechzahlen zwischen etwa 2,8 und 3,4 erreichbar.
Weitere Einzelheiten hierzu finden sich in einem Bericht anläßlich des "International
Symposium on Integrated Optics", 11. bis 15. April 1994, Lindau, DE, von Pawlowski,
E.; "Integrated planar Fresnel zone lenses for beam forming and
coupling".
Claims (9)
1. Optisches Koppelglied, das an einer Endfläche eines Lichtleiters angeordnet ist und
eine Fresnellinse mit strukturierten Zonen aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
das optische Koppelglied (1) mit einem optischen Wellenleiter (3) ein monolithisch auf
einem Substrat (2) integriertes, aus planaren Dünnschichten (6i-i = 1, 2, . . . k -)
bestehendes Bauelement bildet, in dem eine Zylinderlinse (4) mit senkrecht zur
Oberfläche des Substrats (2) stehender Facette zwischen der Endfläche des
Wellenleiters (3) und der Fresnelzonenlinse (5) liegt, und die Fresnelzonenlinse (5) mit
einem durch planare Stufen angenäherten, Kinoformprofil ausgebildet ist.
2. Optisches Koppelglied nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Fresnelzonenlinse (5), die aus einer geringen Anzahl von Materialien mit
unterschiedlichen Brechzahlen (n₁, n₂, . . . ) aufgebaut ist, ihr angenähertes
Kinoformprofil aus geometrisch voneinander abgesetzten Stufen besteht.
3. Optisches Koppelglied nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Fresnelzonenlinse (5), die aus einer größeren Anzahl von Materialien mit
unterschiedlichen Brechzahlen (n₁, n₂, n₃, n₄, . . . ) aufgebaut ist, ihr angenähertes
Kinoformprofil aus Phasenstufen besteht.
4. Optisches Koppelglied nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Fresnelzonenlinse (5) mit einer Länge (L) im 10 µm-Bereich ausgebildet ist, wobei
gilt:
L = [K/(K+1)] [λ/Δn]mit
λ = Wellenlänge des passierenden Lichts
Δn = Differenz der Brechzahlen der Materialien zweier planar benachbarter Stufen
K = Anzahl der geometrisch voneinander abgesetzten Stufen.
λ = Wellenlänge des passierenden Lichts
Δn = Differenz der Brechzahlen der Materialien zweier planar benachbarter Stufen
K = Anzahl der geometrisch voneinander abgesetzten Stufen.
5. Optisches Koppelglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich der optische Wellenleiter (3), die Zylinderlinse (4) und die Fresnelzonenlinse (5) in
den Höhen (H) der sie bildenden planaren Dünnschichten (6i) entsprechend der
Beziehung
HW HZ und/oder HZ HFunterscheiden, mit
HW = Höhe des optischen Wellenleiters (3),
HZ = Höhe der Zylinderlinse (4),
HF = Höhe der Fresnelzonenlinse (5).
HW = Höhe des optischen Wellenleiters (3),
HZ = Höhe der Zylinderlinse (4),
HF = Höhe der Fresnelzonenlinse (5).
6. Optisches Koppelglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Zylinderlinse (4) und die Fresnelzonenlinse (5) in einem einheitlichen Element (7)
vereinigt sind.
7. Verfahren zur Herstellung eines optischen Koppelgliedes nach einem der Ansprüche
1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
Prozesse angewendet werden, die zur Ausbildung der planaren Dünnschichten (6i) als
Streifen mit senkrechten Randzonen führen.
8. Verfahren zur Herstellung eines optischen Koppelgliedes nach einem der Ansprüche
1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine planare Dünnschicht (6) aus einem Polymer zumindest für die Fresnelzonenlinse
(5), gegebenenfalls auch für die Zylinderlinse (4) und/oder den optischen Wellenleiter
(3) verwendet und zur funktionellen Bestimmung von Lagen mit unterschiedlichen
Brechzahlen in der Fresnelzonenlinse (5) dort die Dünnschicht (6) von der Frontfläche
bzw. von den Seitenflächen her in zur Oberfläche des Substrats (2) parallelen Streifen
mit unterschiedlichen Lichtenergien bestrahlt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
aus einer homogenen Dünnschicht (6) bestehende Komponenten, wie der optische
Wellenleiter (3) und/oder die Zylinderlinse (4) einerseits, und aus einem mehrlagigen
Paket planarer Dünnschichten (6i) mit unterschiedlichen Brechzahlen bestehende
Komponenten, wie die Fresnelzonenlinse (5) andererseits, zeitlich voneinander getrennt
erzeugt werden.
Priority Applications (3)
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DE19944412254 DE4412254A1 (de) | 1994-04-07 | 1994-04-07 | Optisches Koppelglied und Verfahren zu dessen Herstellung |
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PCT/DE1995/000486 WO1995027916A1 (de) | 1994-04-07 | 1995-04-07 | Optisches koppelglied und verfahren zu dessen herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19944412254 DE4412254A1 (de) | 1994-04-07 | 1994-04-07 | Optisches Koppelglied und Verfahren zu dessen Herstellung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4412254A1 true DE4412254A1 (de) | 1995-10-12 |
Family
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944412254 Withdrawn DE4412254A1 (de) | 1994-04-07 | 1994-04-07 | Optisches Koppelglied und Verfahren zu dessen Herstellung |
Country Status (3)
Country | Link |
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AU (1) | AU2253795A (de) |
DE (1) | DE4412254A1 (de) |
WO (1) | WO1995027916A1 (de) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19613755A1 (de) * | 1996-04-06 | 1997-10-09 | Sel Alcatel Ag | Optisches Koppelelement |
DE19626113A1 (de) * | 1996-06-28 | 1998-01-02 | Sel Alcatel Ag | Optisches Halbleiterbauelement mit tiefem Rippenwellenleiter |
DE19626130A1 (de) * | 1996-06-28 | 1998-01-08 | Sel Alcatel Ag | Optisches Halbleiterbauelement mit tiefem Rippenwellenleiter |
EP1237019A2 (de) * | 2001-02-28 | 2002-09-04 | Fujitsu Limited | Optisches Schaltungssubstrat, zugehöriges Herstellungsverfahren und mehrschichtiges optisches Schaltungssubstrat |
EP1271211A3 (de) * | 2001-06-25 | 2004-11-10 | Fujitsu Limited | Optokoppler mit Kopplung zwischen einem Wellenleiter und einer optischer Vorrichtung |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4183617A (en) * | 1978-02-09 | 1980-01-15 | Westinghouse Electric Corp. | Thin film As2 S5 optical wave guide |
US5114513A (en) * | 1988-10-27 | 1992-05-19 | Omron Tateisi Electronics Co. | Optical device and manufacturing method thereof |
EP0429243A3 (en) * | 1989-11-17 | 1991-12-27 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Beam shaping system using diffraction |
-
1994
- 1994-04-07 DE DE19944412254 patent/DE4412254A1/de not_active Withdrawn
-
1995
- 1995-04-07 AU AU22537/95A patent/AU2253795A/en not_active Abandoned
- 1995-04-07 WO PCT/DE1995/000486 patent/WO1995027916A1/de active Application Filing
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19613755A1 (de) * | 1996-04-06 | 1997-10-09 | Sel Alcatel Ag | Optisches Koppelelement |
DE19626113A1 (de) * | 1996-06-28 | 1998-01-02 | Sel Alcatel Ag | Optisches Halbleiterbauelement mit tiefem Rippenwellenleiter |
DE19626130A1 (de) * | 1996-06-28 | 1998-01-08 | Sel Alcatel Ag | Optisches Halbleiterbauelement mit tiefem Rippenwellenleiter |
EP1237019A2 (de) * | 2001-02-28 | 2002-09-04 | Fujitsu Limited | Optisches Schaltungssubstrat, zugehöriges Herstellungsverfahren und mehrschichtiges optisches Schaltungssubstrat |
EP1237019B1 (de) * | 2001-02-28 | 2009-04-08 | Fujitsu Limited | Optische Kopplung zwischen optischen Schaltungssubstraten |
EP1271211A3 (de) * | 2001-06-25 | 2004-11-10 | Fujitsu Limited | Optokoppler mit Kopplung zwischen einem Wellenleiter und einer optischer Vorrichtung |
US7099534B2 (en) | 2001-06-25 | 2006-08-29 | Fujitsu Limited | Optical transmission device with optical waveguide coupled to optical device |
EP2261709A1 (de) * | 2001-06-25 | 2010-12-15 | Fujitsu Limited | Optokoppler mit Kopplung zwischen einem Wellenleiter und einer optischer Vorrichtung |
EP2264498A1 (de) * | 2001-06-25 | 2010-12-22 | Fujitsu Limited | Optokoppler mit Kopplung zwischen einem Wellenleiter und einer optischer Vorrichtung |
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AU2253795A (en) | 1995-10-30 |
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