DE69321153T2

DE69321153T2 - Optische Freiraumverbindungsanordnung

Info

Publication number: DE69321153T2
Application number: DE69321153T
Authority: DE
Inventors: Avi Y. Highland Park New Jersey 08904 Feldblum; Jurgen Shrewsbury New Jersey 07702 Jahns; Casimir Roman Lawrenceville New Jersey 08648 Nijander; Frank Clarksburg New Jersey 08510 Sauer; Wesley Peter Princeton New Jersey 08540 Townsend
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1993-02-25
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2013-02-26
Also published as: US5412506A; DE69321153D1; EP0560511A2; JPH0611666A; JP3004493B2; TW219978B; EP0560511B1; EP0560511A3

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft optische Freiraumanordnungen und insbesondere eine optische Freiraumverbindungsanordnung, bei welcher Elemente verwendet werden, die sowohl lichtablenkende als auch reflektierende Flächen aufweisen.

Hintergrund der Erfindung

Photonik heißt die Technologie, welche die Kommunikation mittels Licht betrifft. Sie umfaßt sowohl faseroptische Technologien (Übertragen von Information mit Lichtimpulsen über ultrareine Glasfasern) als auch optische Freiraumanordnungen (Senden von Lichtsignalen durch den freien Raum, z. B. Luft). Bei Telekommunikationssystemen sind nun optische Fasern das bevorzugte Übertragungsmedium geworden. Eine Vielzahl von optischen Vermittlungssystemen zum Übertragen von Lichtsignalen zwischen den optischen Fasern wurden bereits entwickelt. Eine Art einer optischen Vermittlungsanordnung ist eine faseroptische Schalttafel, welche eingesetzt wird, um eine beliebige jedoch fixierte Verbindung zwischen zwei geordneten faseroptischen Feldern bereitzustellen. Beim Stand der Technik gibt es drei Basisansätze für die Implementation einer faseroptischen Schalttafel.
Erstens kann man zum Verbinden der Lichtsignalleitungen eines Eingangsfaserfeldes mit einem Ausgangsfaserfeld eine optische Fasersteckverbindung verwenden. Die Fasern einer solchen Faserverbindungsteckverbindung werden dazu verwendet, die gewünschten Verbindungsmuster aufzubauen. Diese Lösung kann für die Verbindung einer geringen Anzahl von Fasern praktikabel sein. Jedoch kann bei vielen Fasern, z. B. in der Größenordnung von mehreren Hundert, die miteinander verbunden werden sollen, das Anordnen und Verbinden des entsprechend großen Verbindungsbündels unpraktischer und schwieriger sein als bei anderen Lösungen.
Zweitens kann man Wellenleiter, z. B. Lithium-Niobat (LiNbO&sub3;)-Koppler verwenden, um eindimensionale (1-D) Faserfelder zu verbinden. Um ein bestimmtes Verbindungsmuster zu implementieren, muß man ein entsprechendes Routing-Muster entwerfen und dieses auf einen Wafer zur Herstellung eines Wellenleiterkopplers übertragen. Wie erwähnt, ist diese Art der Verbindung von Faserfeldern nur dann praktikabel, wenn die Anzahl der Fasern in dem Feld nicht zu groß ist. Dies ist so, da die Kopplerwellenleiter nicht eng aneinanderliegend in seitliche Richtung angeordnet sein können, woraus sich ein Ansteigen der Abmessung in Längsrichtung ergibt, um es den Kopplern zu ermöglichen, die gewünschte Verbindungspermutation auszuführen. Da ein Verbindungs-Chip auf die Größe eines Wafers (mehrere Zoll) begrenzt ist, scheint die Verbindung von mehreren hundert Fasern in einem Wafer nicht ausführbar zu sein.
Drittens kann man Lichtstrahlen durch den freien Raum senden. Jeder eingehende Lichtstrahl wird dann zu dessen gewünschter Ausgangsstelle abgelenkt. Auf ihrem Weg kreuzen sich die Lichtstrahlen einander im Raum ohne sich zu beeinflussen. Das Freiraumkonzept ist naturgemäß gut geeignet für die Verbindung von 2-D-Feldern und somit für das Verbinden einer großen Anzahl von Fasern. Desweiteren steigt der Preis des optischen Hauptsystemes nicht so schnell mit der Anzahl der Fasern, wie es der Fall bei der Lösung mit einer optischen Fasersteckverbindung ist.
Eine faseroptische Schalttafel (optische Permutationsverbindungsanordnung) für den Freiraum macht ein Eingangselement notwendig, um die Lichtsignale von jeder Eingangsfaser und jedem Ausgangselement zu kollimieren und abzulenken, um die Lichtsignale für jede Ausgangsfaser abzulenken und zu fokusieren.
Eine bekannte Freiraum-Vermittlungstechnik bezieht den Einsatz von kleinen Linsen (Linsenfelder) in einer aus der optischen Achse versetzten Anordnung bzw. off-axis-Anordnung mit ein, um sowohl Kollimier/Fokusier- als auch Ablenkfunktionen auszuführen. Unglücklicherweise muß der Versatz bzw. die außermittige Lage eines Linsenfeldes um so größer sein, je größer der geforderte Ablenkwinkel ist. Das macht Linsenfelder mit größeren numerischen Aperturen (einem größeren Durchmesser für eine gegebene Brennweite) erforderlich.
Bei lichtbrechenden Linsenfeldern, siehe Fig. 1, werden Aberrationen mit höheren Aperturen immer größer. Außerdem entsteht Raumverlust, da es die Herstellungsverfahren nur erlauben, ganze Linsenfelder in einem Feld anzuordnen, anstatt nur die benötigten Linsensektion(en) zu verwenden.
Bei lichtbeugenden Linsenfeldern (lithographisch hergestellt), siehe Fig. 2, geht die Lichtausbeute mit höheren numerischen Aperturen aufgrund der beschränkten Trennschärfe des Gitterherstellungsvorganges zurück. Eine höhere numerische Apertur bedeutet eine geringere Gitterperiode am Rand der Linse. Mit einer gegebenen minimalen Merkmalsgröße kann man die Basisgitterperiode zum Implementieren von Fasengittern mit mehreren Ebenen, die für eine gute Lichtausbeute benötigt werden, weiter unterteilen. Folglich besteht ein Kompromiß zwischen einer hohen Apertur und einer hohen Lichtausbeute. Ein weiteres Problem bei den einzelnen aus der optischen Achse versetzten, lichtbeugenden Linsenfeldern ist die starke Abhängigkeit von der Wellenlänge sowohl bei der Brennweite als auch beim Ablenkungswinkel.
Bei holographischen Linsenfeldern (interferometrisch hergestellte lichtbeugende Linsenfelder) besteht kein Problem hinsichtlich der Lichteffektivität bei großen Ablenkungswinkeln (eher bei kleinen Ablenkungswinkeln), aber die Technologie (Aufzeichnungsmaterialien und Vorgänge) ist bis jetzt noch nicht (und wird vielleicht nie) ausgereift genug, um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen. Ferner zeigen die holographischen Linsenfelder die gleiche starke Abhängigkeit von der Wellenlänge wie die lithographisch hergestellten lichtbeugenden Linsenfelder.
Bei optischen Verbindungsanordnungen werden Singlet-Linsen verwendet, die nur die Ablenkung ausführen, mit Ausnahme der Kollimierung/Fokusierung. Bekannte holographische Singlet- Anordnungen werden beschrieben in H. Kobolla, F. Sauer und R. Völkel, "Holographic tandern arrays", Proc. SPIE, 1136 (1989) und B. Robertson, E.J. Restall, M.R. Taghizadeh und A.C. Walker, "Space-variant holographic optical elements in dichromated gelatin", Appl. Opt. (1991) 2368. Lichtbeugende Singlet-Anordnungen der Art binärer Optiken, welche sowohl Kollimier/Focusier- und lichtbeugende Aufgaben ausführen, werden in J. Jahns und W. Däschner, "Optical cyclic shifter using diffractive lenslet arrays", Opt. comm., 79 (1990) 407 beschrieben. Der wie folgt betitelte Artikel "Space-variant holographic optical elements for switching networks and general interconnects", von J. Schwider, W. Stork, N. Streibl, und R. Völkel, OSA Proceed. on Photonic Switching, Band 8, März 1991, Seiten 190-195 beschreibt optische Freiraum-Permutationsverbindungsanordnungen. Eine offenbarte Anordnung schlägt ein Dublett vor, welches aus zwei separaten lichtbeugenden Singlets hergestellt ist, um die Kollimier/Fokusier- und Lichtbeugeaufgaben auszuführen. Wie vorstehend bemerkt, weist die Lösung eines rein holographischen lichtbeugenden Elementes eine ungewollte starke Abhängigkeit von der Wellenlänge auf. Überdies stellt die holographische Technologie zur Zeit nicht niemals die gewünschte Genauigkeit zur Verfügung (und wird es vielleicht niemals), die für optische Verbindungsanordnungen benötigt wird.
Folglich besteht ein ständiger Bedarf an einer weiteren Verbesserung der Implementation von optischen Verbindungsanordnungen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine optische Linsenstruktur eine erste lichtbrechende Einrichtung im wesentlichen zum Kollimieren von Lichtstrahlen, die auf einer ersten Fläche der Struktur auftreffen, und eine Lichtbeugeeinrichtung, die an einer zweiten Oberfläche der Struktur zum Ablenken der parallel gerichteten Lichtstrahlen in einem vorbestimmten Winkel auf die zweite Oberfläche, angeordnet ist. Wir bezeichnen eine solche optische Linsenstruktur als ein lichtbrechendes/lichtbeugendes Dublett (nachfolgend Dublett genannt). In vorteilhafter Weise ist unser Dublett beim Ausführen der kombinierten Aufgabe der Kollimation/Fokusierung und Ablenkung weniger wellenlängenempfindlich als reine lichtbeugende Elemente. Wenn eine Vielzahl von lichtbrechenden/lichtbeugenden Dublettlinsen feldartig an einem integrierten monolithischen Linsenfeld angeordnet und mit einem zusammengefügten zweiten Monolithlinsenfeld gepaart wird, stellt die sich daraus ergebende Struktur eine optische Freiraumverbindungsanordnung bereit. Eine solche Anordnung kann in beispielhafter Weise eine beliebig festgelegte Verbindung zwischen zwei optischen Faserfeldern (d. h. einer faseroptischen Schalttafel), zwischen einem Mikrolaserfeld und einem Feld mit optischen Detektoren, oder allgemeiner zwischen optischen Signalquellen und Senken bereitstellen.
Lichtbeugende/lichtbrechende optische Komponenten sind auf dem Gebiet der Linsenkonstruktion vorgeschlagen worden. Jedoch ist die Idee bei solchen Komponenten, die lichtbeugenden Gitter dazu zu verwenden, die Leistung hinsichtlich Kollimierung und Fokusierung von lichtbrechenden Linsen durch Kompensierung sphärischer oder chromatischer Aberrationen zu verbesseren. Illustrative Beispiele eines solchen Einsatzes werden beschrieben in J. Upatnieks, A. Vander Lugt, und E. Leith, "Correction of lens aberrations by means of holograms", Appl. Opt. 5, (1966) 589, Th. Stone und N. George, "Hybrid diffractive-reflective lenses and achromats", Appl. Opt. 27, (1988) 2961 und "ReDiMax Diamond Turned Refractive/Diffractive Optics", Photonics-Spectra, Mai 1991, Seite 110. Solche Linsen müssen jedoch unerwünschterweise in einer aus der optischen Achse versetzten Anordnung verwendet werden, um eine Ablenkung bereitzustellen, bzw. wenn sie in einer nicht aus der optischen Achse versetzten Anordnung verwendet werden, ist es erforderlich, daß eine andere Linse die Ablenkung bereitstellt.

Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte lichtbrechende Linse, die in einer aus der optischen Achse versetzten/außermittigen Anordnung verwendet wird, um sowohl die Kollimier/Fokusier- als auch Ablenkfunktionen auszuführen;
Fig. 2 eine bekannte lichtbeugende Linse, die bei einer aus der optischen Achse versetzten/außermittigen Anordnung verwendet wird, um sowohl Kollimier/Fokusier- als auch Ablenkfunktionen auszuführen;
Fig. 3 eine eindimensionale faseroptische Freiraum- Schalttafel, bei der ein Feld mit unseren lichtbrechenden/lichtbeugenden Dublettlinsen verwendet wird;
Fig. 4 eine zweidimensionale Schalttafel gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine erste Ausführungsform unserer Dublettlinse mit einer lichtbrechenden Linse und einem lichtbeugenden Gitter auf den sich gegenüberliegenden Seiten eines Substrates; und
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform unserer Dublettlinse mit einer lichtbrechenden Linse und einem lichtbeugenden Gitter auf der gleichen Seite eines Substrates.

Detaillierte Beschreibung

Bei der nachstehenden Beschreibung weist jede Einheit oder jeder Block einer jeden Figur dieser zugeordnete Bezugszeichen auf, wobei sich die erste Ziffer auf die Figur bezieht, in welcher diese Einheit oder dieser Block zuerst vorkommt (z. B. ist 301 in Fig. 3 angeordnet).
Fig. 3 zeigt das Arbeitsprinzip einer beispielhaften, eindimensionalen faseroptischen Freiraum-Schalttafel. Das optische Freiraumsystem 300 koppelt die Lichtstrahlen A-D von einem Faserquellenfeld 310 in einem vorbestimmten und festgelegte Verbindungsmuster in das Faserbestimmungsfeld 320. Das optische System 300 besteht z. B. aus einer Eingangskomponente (Substrat) 301, einem Abstandhalter 303 und einer Ausgangskomponente 302.
Der Abstandhalter 303 hat eine vorbestimmte Dicke und kann aus Quarz, Silizium oder einem anderen geeigneten Material, das bei einer bestimmten Wellenlänge transparent ist, hergestellt sein. Die Komponente 301, der Abstandhalter 303 und die Komponente 302 können in einer monolithischen Anordnung zusammengebaut sein. Dies kann z. B. in bekannter Weise durch Verkleben der Komponenten 301 und 302 mit dem Abstandhalter 303 ausgeführt werden, um so eine genaue Ausrichtung sicherzustellen. Ferner können andere wohlbekannte Montagetechniken zum Halten der Komponenten 301 und 302 in genauer Ausrichtung relativ zueinander und zu den Faserfeldern 310 und 320 verwendet werden.
Die Komponenten 301 und 302 sind zusammengefügte Linsenfelder, welche die Lichtstrahlen aus A, B, C, D kollimieren, deflektieren und fokusieren, um das gewünschte Verbindungsmuster zwischen den Faserfeldern 310 und 320 zu erhalten. Die Komponenten 301 und 302 umfassen z. B. vier brechende/beugende Dublettlinsen a, b, c und d. Die Dublettlinsen der Komponente 301 kollimieren die divergenten Lichtstrahlen, die aus den einzelnen Wellenfasern des Faserfeldes 310 kommen und lenken die Lichtstrahlen individuell (A, B, C, D) zu den Dublettlinsen der Komponente 302 ab, welche zu den Zielfasern des Faserfeldes 320 korrespondieren. Die Dublettlinsen der Komponente 302 führen die Lichtstrahlen in die gemeinsame Ausgangsrichtung zurück und fokusieren ferner die Lichtstrahlen, um diese in das Faserbestimmungsfeld 320 einzukoppeln.
Der seitliche Abstand 1 des Linsenfeldes paßt den Abstand der Lichtquellen 310 an das Eingangsfaserfeld 310 an. Die Komponente 301 ist etwa um eine Brennweite f&sub1; von dem Eingangsfaserfeld 310 entfernt angeordnet, wobei jedes Linsenfeld relativ zu einer Lichtquelle derart ausgerichtet ist, daß sie die aus der Quelle austretende Lichtwelle im wesentlichen kollimiert (nachfolgend kollimiert) und das Licht zu einem korrespondierenden Linsenfeld in der Komponente 302 sendet. Auf ähnliche Weise ist die Komponente 302 um eine Brennweite f&sub2; vom Ausgangsfaserfeld 320 angeordnet. Es sei bemerkt, daß die Brennweite der Linsenfelder der Komponenten 301 und 302 unterschiedlich oder die gleichen sein können, abhängig von einer bestimmten Anwendung. Im Vergleich mit einem in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten implementierten System hat das Linsenfeld den Vorteil, daß die in dem Feld verwendeten individuellen Linsenfelder recht einfache Linsen sein können, da an sie nicht die Anforderung gestellt wird, über ein endliches Feld zu arbeiten. Da außerdem die Ausbreitungsentfernung zwischen den Komponenten 301 und 302 auf kurze Entfernungen begrenzt ist, tritt zwischen den Lichtstrahlen A bis D eine Kreuzkopplung auf.
In Fig. 4 ist eine beispielhafte, zweidimensionale (2-D) faseroptische Freiraum-Schalttafel gezeigt. Die 2-D- Schalttafel umfaßt eine Eingangskomponente 401, eine Abstandstütze 403 und eine Ausgangskomponente 402. Die beispielhafte Abstandtstütze 403 ist mit den Komponenten 401 und 402 verklebt, um diese in einer genauen Ausrichtung relativ zueinander und zum Faserfeld 310 und 320 zu halten. Offensichtlich können der vorhergehend beschriebene Abstandhalter 303 oder andere Anordnungen für diese Funktion verwendet werden. Jede der Komponenten 401 bzw. 402 werden so gezeigt, daß sie ein 4 · 4-Feld mit brechenden/beugenden Dublettlinsen (1,1 bis 4,4) umfassen. Der Klarheit wegen werden das Faserquellenfeld und Faserbestimmungsfeld, welche die Lichtstrahlen in der Schalttafel 400 einkoppeln, nicht gezeigt.
Die Schalttafel 400 stellt beispielhaft Lichtstrahlen dar, die von den Dublettlinsen 1,4; 4,3 und 4,4 der Komponente 401 ausgehen, und zu den Dublettlinsen 2,3; 3,4 bzw. 1, 1 der Komponente 402 geführt werden.
Während die in den Fig. 3 und 4 gezeigten optischen Verbindungsanordnungen als faseroptische Schalttafel beschrieben worden sind, müssen sie nicht nur optisch verbundene Faserfelder sein. Sowohl die Eingänge als auch die Ausgänge der Anordnungen können mit anderen Lichtstrahlenquellen über den Freiraum verbunden werden. Die Lichtstrahlen können z. B. von einem Mikrolaserfeld oder einem anderen Linsensystem kommen und die optische Senke kann ein Feld mit optischen Detektoren oder einem anderen Linsensystem sein.
Folglich kann man ein solches passives optisches Verbindungssystem zum Verbinden aktiver Einrichtungen verwenden. Die Eingänge des optischen Verbindungssystems können z. B. von einem Mikrolaserfeld stammen, wie es in K. Iga, S. Kinoshita, und F. Koyame, "Microcavity GaAAs/GaAs surface emitting lasers, with lth = 6 mA "Electron. Lett. 23, (1987) 134 und in J.L. Jewell, A. Scherer, S.L. McCall, Y.H. Lee, S. Walker, J.P. Harbison, und L.T. Florez, "Lowthreshold electrically pumped vertical-cavity surfaceemitting microlasers", Electron. Lett. 25, (1989) 1123 beschrieben wird. Der Ausgag des optischen Verbindungssystems kann dann an ein Detektorfeld gekoppelt werden.
Die optischen Verbindungsanordnungen von Fig. 3 und 4 können wie folgt implementiert werden. Die Aufgabe der Dublettlinsen der Eingangskomponente (Substrat) 301 besteht darin, sich in zwei Unteraufgaben zu teilen, nämlich in Unteraufgabe Kollimierung und Unteraufgabe Ablenkung. Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 werden beispielhafte Dublettlinsen dargestellt, die an einem optischen Substrat (500 bzw. 600) implementiert sind. Die Unteraufgabe Kollimierung wird durch Verwenden einer Brechungslinse ausgeführt, welche z. B. mittels einer Fotoresist- Schmelztechnik (für Linsen 501 mit gekrümmter Oberfläche) oder mittels einer Ionenwechseltechnik (für Linsen 601 mit Gradienten-Index) hergestellt werden. Lichtbrechende Mikrolinsen, die durch das Verwenden dieser Techniken hergestellt werden, können mit einer hohen numerischen Apertur hergestellt werden, jedoch bestehen Einschränkungen hinsichtlich der Größe und des Feldwinkels.
Für die Herstellung von Linsen mit gekrümmter Oberfläche (d. h. quasi-sphärisch) werden kleine Fotoresistzylinder erwärmt, bis sie schmelzen und Tröpfchen bilden. Die Tröpfchenform wird dann in das unten liegende Substrat (z. B. aus Quarz hergestellt) mittels einer Trockenätztechnik übertragen. Das Substrat kann auch aus Silizium hergestellt werden, und zwar speziell für den Einsatz von Lichtstrahlen mit langer Wellenlänge (z. B. 1,3 um oder 1,5 um). Lichtbrechende Linsenfelder können mit hohen numerischen Aperturen und gleichzeitig mit hohen Wirkungsgraden hergestellt werden. Außerdem ist es nicht schwierig, die glatte lichtbrechende Linsenoberfläche mit einer Antireflexionsschicht zu beschichten, um Reflexionen von der Linsenoberfläche zur Lichtquelle hin zu vermeiden. Andererseits haben Herstellungstoleranzen, die bei der Herstellung der lichtbrechenden Linsen entstehen, gewöhnlich nur geringen Einfluß auf die Leistung des Kollimierungsvorganges.
Wohlbekannte Herstellungsmöglichkeiten eines lichtbrechenden Linsenfeldes, bei denen Fotoresistschmelzen verwendet wird, wird in "Microlenses for coupling junction lasers to optical fibers", Appl. Opt. 13, (1974) 89 von L.G. Cohen und M.V. Schneider, und in "Technique for monolithic fabrication of microlens arrays", Appl. Opt. 27, (1988) 1281 von Z.D. Popovic, R.A. Sprague und G.A.N. Connell, genauer beschrieben.
Die Herstellung eines lichtbrechenden Linsenfeldes mit Gradienden-Index mittels Ionenwechsel wird in den folgenden Quellen beschrieben: "A distributed planar microlens made of plastics", Jpn. J. Appl. Phys. 20, (1981) L51 von M. Oikawa, K. Iga, und T. Sanada; "Distributed planar microlens prepared from ion exchange technique", Jpn. J. Appl. Phys. 20, (1981) L296 von M. Oikawa, K. Iga und T. Sanada und "Distributed-Index Planar Microlens", Appl. opt. 21 (1982) 1052 von M. Oikawa und K. Iga.
Die Unteraufgabe Ablenkung bei den Dublettlinsen der Fig. 5 und 6 wird mit einem Gitterfeld ausgeführt, d. h. mit lichtbeugenden Elementen 502 und 602, die vorzugsweise vom Typ "binäre optische Anordnungen" sind. Bekannte Verfahren zum Herstellen eines Gitterfeldes werden z. B. in folgenden Quellen beschrieben: "Binary optics technology: the theory and design of multi-level diffractive optical elements", MIT Lincoln Laboratory, 14 August 1989, NTIS Publ. No. AD-A213- 404, (1989) von G.J. Swanson und "Two-dimensional array of diffractive microlenses fabricated by thin-film deposition", Appl. Opt. 29, (1990) 931 von J. Jahns und S.J. Walker.
Alternativ dazu können die lichtbeugenden Elemente 502 und 602 mittels direkter Elektronenstrahl-Lithographie gebildet werden, wie es in der Quelle "Micro Fresnel lenses" von H. Nishihara und T. Suhara, Progress in Optics 24, (1987) 3-37 beschrieben wird.
Bei den vorstehend beschriebenen Herstellungstechniken, die alle auf der Fotolithographie basieren, ist es einfach, das lichtbrechende und das lichtbeugende Feld auf dem selben Substrat anzuordnen, wodurch eine monolithische lichtbrechende/-beugende Komponente für den Einsatz in Fig. 3 oder 4 hergestellt wird.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Dubletts, welches eine lichtbrechende Linse 501 mit quasi-sphärischer Form und ein Beugegitter 502 umfaßt. Bei der Anordnung von Fig. 5 können die lichtbrechenden und lichtbeugenden Elemente an gegenüberliegenden Seiten des Substrates angeordnet sein. Die lichtbrechenden und lichtbeugenden Elemente können auch auf der gleichen Seite des Substrates angeordnet sein. Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer möglichen Kombination von planaren lichtbrechenden Mikrolinsen 601 (mit Gradienten- Index) mit einem Beugungsgitter 602. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die lichtbrechenden und lichtbeugenden Elemente auf unterschiedlichen Substraten angeordnet, die zusammengebaut werden müssen.
Die Dublett Herstellungstechniken für die bei 500 in Fig. 5 bzw. 600 in Fig. 6 gezeigten Dubletten, können dazu verwendet werden, jede der Linsen der Komponenten 301 bzw. 302 in Fig. 3 oder jede der Linsen 1, 1 bis 4, 4 der Komponenten 401 bzw. 402 in Fig. 4 zu implementieren. Die fotolithographischen Herstellungstechniken ermöglichen die Herstellung eines monolithischen Feldes von solchen Dublettlinsen auf einem Substrat.
Die Fig. 5 und 6 stellen die Implementation einer Eingangsdublettlinse (d. h. 301 oder 401) zur Bereitstellung einer Lichtbrechnungs-/Beugungs-Ausrichtung von links nach rechts dar. Eine Ausgangsdublettlinse (z. B. 302 oder 402) benötigt eine Lichtbeugungs-/-brechungs-Ausrichtung von links nach rechts (eine Umkehrung des in den Fig. 5 und 6 gezeigten wird). Bei einer solchen Umkehr-Ausrichtung werden die Lichtstrahlen zuerst durch die Beugungsgitter (502 bzw. 602) gebeugt und dann durch das Lichtbrechungselement (501 bzw. 601) fokusiert. Folglich werden die Linsenfelder der Ausgangskomponenten (302 und 402) auch als lichtbrechende/- beugende Dubletten implementiert, wie die Linsenfelder der Eingangskomponenten (301 und 401).
Mit Querverweis auf die Fig. 1 und 2 beschreiben wir im einzelnen die Vorteile der Dublettenlinsen der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Einsatz einer Singletlinse, um die Aufgaben der Eingangs- oder Ausgangskomponenten von Fig. 3 und 4 bereitzustellen. Eine Singletlinse, entweder lichtbrechend (Fig. 1) oder lichtbeugend (Fig. 2) in einer aus der optischen Achse versetzten Anordnung führt Kollimierungs- und Ablenkungsaufgaben zur gleichen Zeit aus, die von einer Eingangskomponenten (301 oder 401) benötigt werden. Auf gleiche Weise führt eine solche lichtbrechende oder lichtbeugende Singletlinse in einer umgekehrten Anordnung die Ablenkungs- und Fokusierungsaufgaben aus, die von einer Ausgangskomponenten (302 oder 402) benötigt werden.
Es existieren jedoch starke Einschränkungen hinsichtlich des Einsatzes von Singletlinsen. Je größer die Beugungswinkel X, desto größer ist der Versatz aus der optischen Achse Y bei den eingesetzten Linsen. Das macht Linsen mit immer höheren Aperturen (immer größer werdende Durchmesser für eine gegebene Brennweite F) erforderlich.
Bei lichtbrechenden Linsenfeldern werden die Aberrationen mit höheren Aperturen und mit einem größeren Versatz aus der optischen Achse immer stärker. Außerdem wird Platz verschwendet, da es die Herstellungsverfahren nur erlauben, ganze Linsenfelder in ein Feld anzuordnen, anstatt nur die wirklich gewünschten Linsenabschnitte einzusetzen.
Bei lichtbeugenden Linsenfeldern der Art binäre optische Anordnung geht der Lichtwirkungsgrad mit höheren numerischen Aperturen aufgrund der eingeschränkten Trennstärke des Herstellungsvorganges nach unten. Eine höhere Apertur bedeutet eine kleinere Gitterperiode am Rand der Linse. Bei vorgegebener minimaler Leistungsgröße kann man die Basis- Gitterperiode zum Implementieren mehrpegeliger Phasenschritte nicht weiter unterteilen. Nur mehrpegelige Phasengitter haben jedoch einen guten Lichtwirkungsgrad, somit besteht ein Kompromiß aus einer höheren Apertur und einem höherem Lichtwirkungsgrad. Gewissermaßen bedingt das Einbringen der Brennleistung in ein Beugungsgitter eine Minderung der Trennschärfe des Herstellungsprozesses, da dessen maximale Trennschärfe nur über einen kleinen Abschnitt des gesamten Elementes benutzt werden kann. Ein weiteres Problem bei den einzelnen aus der optischen Achse versetzten Brechungslinsenfeldern ist die starke Abhängigkeit der Wellenlänge sowohl von der Brennweite als auch vom Beugungswinkel. Diese Abhängigkeit der Wellenlänge wird aufgrund der Tatsache ein Problem, daß für die Kommunikation verwendete kommerzielle Diodenlaser hinsichtlich ihrer Wellenlänge nicht genau spezifiziert sind. Ein typischer Laser kann eine Wellenlänge haben in einem Bereich von 1300 ± 20 nm (oder in einem Bereich von 1500 ± 20 nm). Das lichtbeugende Singlet-System würde mit keinem Laser einer anderen Art arbeiten. Dies erfordert eine kostspielige Wellenlängenvorauswahl der Laserdiode bzw. eine kostspielige Anpassung des Systems an Kundenwünsche der speziell eingesetzten Laserdiode.
Bei holographischen Linsenfeldern besteht kein Problem hinsichtlich des Lichtwirkungsgrades bei großen Beugungswinkeln, jedoch bei kleinen Beugungswinkeln. Jedoch ist die bestehende Technologie noch nicht ausgereift genug, um die erforderliche Genauigkeit der holographischen Linsenfelder bereitzustellen. Außerdem weisen die holographischen Linsenfelder die gleiche starke Abhängigkeit hinsichtlich der Wellenlänge auf, wie die lithographisch hergestellten lichtbeugenden Linsenfelder.
Folglich wird bei der Lösung mit Singlet die numerische Apertur der Linsen teilweise für die Kollimierung/Fokusierung und teilweise für die Strahlenbeugung verwendet. Hohe numerische Aperturen sind jedoch schwierig zu erreichen. Das Hauptproblem bei den lichtbrechenden Linsenfeldern ist die Aberration, die in der aus der optischen Achse versetzten/außermittigen Anordnung vorkommt. Das grundlegende Problem bei lichtbeugenden Linsen, selbst wenn man in der Lage wäre, die erforderliche hohe Trennschärfenlithographie zum Laufen zu bekommen, ist noch die starke chromatische Aberration eines solchen Systems. Eine Lösung mit Singletlinse zum Bereitstellen sowohl von Kollimierungs-/Fokusierungs-Aufgaben als auch Beugungsaufgaben scheint nicht durchführbar zu sein.
Unsere Lösung mit Dublette entschärft jedoch die Anforderung an die einzelnen Elemente und macht die Implementation eines faseroptischen Freiraum-Schalttafel durchführbar.
Unsere lichtbrechende/-beugende Dublettlinse teilt in vorteilhafter Weise die ganze Aufgabe in Unteraufgaben auf, die mit Elementen gut bearbeitbar sind, die im speziellen für jede Unteraufgabe geeignet sind. Lichtbrechende Linsenfelder sind im speziellen für die Kollimierung/Fokusierungs-Aufgabe gut geeignet. Sie können einfach mit den erforderlichen numerischen Aperturen hergestellt werden und funktionieren dann nahe der Beugung auf der optischen Achse liegenden Anordnung. Sie weisen nur eine vernachlässigbare chromatische Aberration über den in Betracht zu ziehenden Wellenlängenintervall von 40 nm auf. Beugungsgitter sind andererseits die einzigen durchführbaren Implementationen zum Bereitstellen der Beugungsaufgabe. Es gibt keine Herstellungstechnik für ein entsprechendes lichtbrechende Mikroprismafeld.
Die Gitter des beugenden Abschnitts können so hergestellt werden, daß sie ein binäres Gitter, wie bei 201 in Fig. 2 gezeigt, oder ein Mehrfachgiter 602 der Fig. 6 verwenden.
Wenn nötig, kann ein wenig Fokusierleistung zu den beugenden Gittern hinzugefügt werden, um zusätzlich Aberrationen des lichtbrechenden Linsenfeldes, z. B. sphärische Aberrationen oder chormatische Aberrationen, zu kompensieren. Der Hauptteil der Kollimierungs- und Fokusierungsunteraufgaben wird jedoch noch von den lichtbrechenden Linsenfeldern bereitgestellt.
Desweiten ist, wie vorherstehend beschrieben, die monolithische Herstellung der Eingangs- und Ausgangskomponenten mit lichtbrechenden/-beugenden Dubletten einfach zu implementieren, da sowohl lichtbrechende Linsenfelder und Gitter mittels Lithographie hergestellt werden können.

Claims

1. Optische Anordnung umfassend eine Vielzahl von optischen Elementen, von welchen jedes umfaßt:

a) eine kollimierende Einrichtung (501), die an oder hinter einer ersten Oberfläche der Anordnung ausgebildet ist, um ein divergierendes Bündel von Lichtstrahlen, die an der ersten Oberfläche der Anordnung auftreffen zu kollimieren und

b) eine beugende Einrichtung (502), die an einer zweiten Oberfläche der Anordnung ausgebildet ist, um die im wesentlichen kollimierten Lichtstrahlen unter einem vorbestimmten Winkel zur zweiten Oberfläche abzulenken,

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung eine monolithische Einzel- Substrat-Anordnung ist und die kollimierende Einrichtung eine brechende Einrichtung ist.

2. Optische Signalverbindungsanordnung zum Verbinden von Lichtstrahlen, die aus einer Vielzahl von Lichtquellen (310) empfangen werden, mit einer Vielzahl von Licht- Zielorten (320), wobei die Anordnung eine erste optische Anordnung (301) gemäß Anspruch 1 umfaßt, wobei die kollimierende Einrichtung zum Empfangen von Licht an der ersten Oberfläche von einer der Lichtquellen vorgesehen ist und umfassend eine zweite optische monolithische Einzel-Substrat- Anordnung (302), die eine vorbestimmte Ausrichtung zur ersten Anordnung aufweist und eine Vielzahl von optischen Elementen umfaßt, von welchen jedes enthält:

c) eine beugende Einrichtung (502), die an einer ersten Oberfläche der zweiten Anordnung angeordnet ist, um das abgelenkte kollimierte Licht zu empfangen und

d) eine brechende Einrichtung (501) in der optischen Achse zum Fokusieren des empfangenen kollimierten Lichtes auf einen der Licht-Zielorte.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher wenigstens eine der brechenden Einrichtungen eine konvexe brechende Linse (501), die an der ersten Oberfläche ausgebildet ist, umfaßt.

4. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher wenigstens eine der brechenden Einrichtungen eine planare Gradienten-Index-Linse (601) in der optischen Anordnung in der Vorderseite von wenigstens einer der beugenden Einrichtungen (602) ist.

5. Optische Anordnung nach Anspruch 4, bei welcher die planare Gradienten-Index-Linse eine mittels Ionenaustausch gebildete Linse ist.

6. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher wenigstens eine der brechenden Einrichtungen eine Photo- Resist-Tröpfchen-Linse an der ersten Oberfläche ist.

7. Optische Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher wenigstens eine der beugenden Einrichtungen ein optisches Gitter vom binären Typ ist.

8. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche von 1 bis 6, bei welcher wenigstens eine der beugenden Einrichtungen eine abgeschiedene Dünnfilm-Linse an der zweiten Oberfläche ist.

9. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche von 1 bis 6, bei welcher wenigstens eine der beugenden Einrichtungen eine Linse ist, die durch Elektronenstrahllithographie ausgebildet wurde.