DE4412254A1 - Optisches Koppelglied und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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

H_W H_Z und/oder H_Z H_F

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 n_i. 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 H_W. 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 H_Z für die Zylinderlinse größer als H_W auszubilden. Herstellungstechnisch bietet sich an, in die Höhe H_Z 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 H_F, die Höhe der Fresnellinse, auch etwas größer als H_Z sein, ansonsten ergeben sich bei gleichen Abmessungen für H_Z und H_F 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 n_i 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 SiO_x-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 SiO_x - 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 Al_xGa_1-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.

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 H_W H_Z und/oder H_Z H_Funterscheiden, mit
H_W = Höhe des optischen Wellenleiters (3),
H_Z = Höhe der Zylinderlinse (4),
H_F = 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.