NL8304311A

NL8304311A - Reflectieraster.

Info

Publication number: NL8304311A
Application number: NL8304311A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1983-12-15
Filing date: 1983-12-15
Publication date: 1985-07-01
Also published as: JPS60142305A; EP0149270A2; US4746186A; EP0149270A3; DE3472468D1; EP0149270B1; CA1257792A

Description

t 4 ^ 9 X i * Hffiï 10.888 1 N.V. Philips' Gloeilanpenfabrieken te Eindhoven "Reflectieraster".

De uitvinding heeft betrekking cp een reflectieraster en cp een optische multiplexer of demultipelxer voorzien van een dergelijk raster.

Het bedoelde reflectieraster kan gébruikt worden in optische telecoinunicatiesystemen met lichtgeleidersde ·. vezels. Een multiplexer, 5 respectievelijk een demultiplexer, voorzien van een reflectieraster wordt gébruikt aan de zend-, respectievelijk de ontvangst-, zijde van een glasvezel ccnraunicatiesysteem om lichtbundels net verschillende golflengten tot één bundel te verenigen, respectievelijk om deze ene bundel te splitsen in bundels met verschillende golflengten.

10 Als bundelspitsend of bundel-verenigend element in een optisch circuit kan ook een transmissieraster in de vorm van een zogenaamde Brag-deflector gebruikt worden. Een reflectieraster biedt hier echter het voordeel dat een zogenaamde Littrow-configuratie gerealiseerd kan warden, in welke configuratie de lichtaanvoererde vezel (s) zich in de onmiddellijke 15 nabijheid van de lichtafvoerende vezel (s) bevind (t) (en).

In het artikel "Grating demultiplexer with printed geodesic lens in glass", gepubliceerd in "Techn. Digest of the 8th ECOC, Cannes 1982, pag 321-324, is het gebruik van een reflectieraster in een optische multiplexer beschreven. Deze demultiplexer bevat een planaire lens in de 20 vorm van een zogenaamde geodetische lens.Een planair optisch'- element kan worden gedefinieerd als een optisch element bestaande uit een cp een substraat aangehrachte lichtgeleidende laag waarvan de brekingsindex afwijkt van die van het substraat en waarin een bepaalde structuur aangebracht is, welke structuur een optische functie realiseert. De 25 structuur kan worden gevormd door een diepteprofiel of door een brekings-index-prof iel. Het brékingsindex-profiel kan warden verkregen door een bombardement met ionen of door een ionenuitwisseling in een zoutoplossing.

Een geodetische lens is een planaire lens gevormd door een diepteprofiel met daarop een lichtgeleidende laag met constante brekingsindex. In de 30 multiplexer van het genoemde artikel is het reflectieraster een conventioneel raster dat tegen de rand van het substraat van de geodetische lens is geplaats en waarvan de rasterlijnen loodrecht staan cp het vlak van de dunne-filmgeleider. Dit raster is niet geïntegreerd met de rest van het 83 0 4 3 1 1 4»

'V

EHN 10.888 2 optische- circuit, dat behalve de geodetische lens ook de aan- en afvoer-vezels bevat. Het niet geïntegreerd zijn van het reflectieraster heeft een aantal nadelen. Zo moet tijdens de assemblage van het optische circuit het reflectieraster nauwkeurig ten opzichte van de lichtgeleidende vezels -5 uitgeriüht worden. Verder moeten de componenten justeermiddelen bevatten. Bovendien heeft een demutiplexer meteen: afzonderlijk rasteroeen groter volume dan en is deze demultiplexer minder stabiel dan een volledig geïntegreerde demultiplexer.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel een refelctieraster te 10 verschaffen dat in een planair optisch circuit geïntegreerd kan worden.

Het reflectieraster volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, dat het bestaat uit een dubbel periodieke structuur van langwerpige gebieden op onderling constante afstand gelegen in een lichtgeleidende laag die aangebracht is qp een substraat, welke gebieden in hun lengterichting gezien 15 periodieke uitwijkingen vertonen, waarbij overeenkomstige gedeelten van de gebieden onderling evenwijdig zijn.

De uitvinding berust op het inzicht dat op een bekende structuur bestaande uit een aantal evenwijdige langwerpige gebieden die, zoals beschreven is in : "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques" 20 Vol MTT-2J, No. 12, December 1973 pag. 775-785, in het bijzonder Fig. 5, als planaire reflector werkt, een tweede, als diffractieraster werkende, structuur gesuperponeerd kan worden, zodanig dat het geheel als een planair reflectieraster functioneert.

De planaire reflecties tructuur kan worden gevormd door een 25 oppervlakte-profiel in de lichtgeleidende laag. Een dergelijke profiel-structuur kan met de vereiste nauwkeurigheid aangebracht worden net behulp van technieken die gebruikt worden bij het vervaardigen van fotanaskers,· ten behoeve van de fabricage van geïntegreerde schakelingen, zoals het inschrijven net een elektronenbundel.

30 Het planaire raster kan ook gevormd worden door gebieden die een andere brekingsindex hebben dan de rest van de lichtgeleidende laag. Een dergelijke structuur kan gerealiseerd worden met bijvoorbeeld ionenimplantatie of ionenuitwisseling.

Het reflectieraster volgens de uitvinding kan met veel voordeel 35 worden toegepast in een optische multiplexer of demultiplexer. Deze (de-) multiplexer kan een planaire lens bevatten die ervoor zorgt dat een op het raster invallende bundel een evenwijdige bundel' is. Bij voorkeur echter hebben bij deze toepassing de langwerpige gebieden een gebogen vorm, 8304311 5* ΓΗΝ 10.888 3 * zodat het reflectieraster de functie van de lens kan ovememen en er geen aparte lens meer nodig is.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de tekening. Daarin tonen: 5 Fig. 1 een uitvoeringsvorm van een planair reflectieraster volgens de uitvinding,

Fig. 2 en Fig. 3 de twee structuren waaruit dit raster *is opgebouwd,

Fig. 4 een eerste uitvoeringsvorm van een optische (de-)multi-10 plexer volgens de uitvinding, en

Fig. 5 een tweede uitvoeringsvorm van een dergelijke (de-) multiplexer.

Het in Fig, 1 weergegeven reflectieraster wordt gevormd door een periodieke structuur 3. cp een dunne lichtgeleidende laag 2 die aan-15 gebracht is cp een substraat 1. Dit substraat bestaat uit bijvoorbeeld glas, een doorzichtige kunststof, een halfgeleédermateriaal of een kristal, zoals LithiumrNiobaat. De lichtgeleidende laag is een moncmode lichtgeleider en heeft een dikte van ongeveer 1 ^um. Deze laag bestaat uit een transparant materiaal waarvan de brekingsindex hoger is dan die van 20 het substraat. Daardoor zal het grootste gedeelte van de stralingsenergie van een links · binnentredende bundel b in de lichtgeleidende laag 2 opgesloten blijven. Deze bundel wordt door de reflectiestructuur 3 gereflecteerd en, indien de bundel b een aantal golflengtebanden λ1, Λ 2 X3 bevat, opgesplitst in een aantal deelbundels hj, b2 en b3 met telkens 25 één bepaalde golflengteband.

De structuur 3 kan men opgebouwd denken uit de twee structuren die in de Figuren 2 en 3 weergegeven zijn. In Fig. 2 is een periodieke structuur van langwerpige rechte gebieden 4 weergegeven. Zoals in het artikel: "Periodic Structures and their Application in Integrated Optics" 30 in: "IEEE Transactions on Microwaves Theory and Techniques", Vol MT-21, December 1973, pag. 775-785 beschreven is, werkt een dergelijke structuur als een reflector. Elke van de langwerpige geleiders kan beschouwd worden als een element dat de voortplanting van de straling door de lichtgeleidende laag verstoort, zodat slechts een gedeelte van de straling zijn oorspronke-.35 lijke weg kan vervolgen en de rest wordt gereflecteerd of via de grensvlakken van de laag wordt uitgestraald. Door een aantal van dergelijke elementen met de geschikte gecmetrie cp de juiste afstand achter elkaar te zetten kan bereikt worden dat de gereflecteerde stralingsccmponenten 8304311 PHN 10.888 4 elkaar versterken terwijl de andere componenten elkaar uitdoven, zodat de reeks van langwerpige gebieden als reflector werkt. In het genoemde IEEE artikel is aangegeven hoe de juiste geometrie van de periodieke structuur berekend kan worden.

5 In Fig. 3 is een bekend reflectieraster getekend dat opgebouwd is uit groeven die zich loodrecht op het vlak van tekening uitstrekken. Deze groeven hebben wanden met een negatieve helling 5 en wanden net een positieve helling 6. Een (¾) dit raster invallende bundel wordt in een aantal deelbundels gesplitst die zich in een richting/^m voortplanten, 10 waarbij β m wordt bepaald door de raster-wst: a. (sin*i + sin^m) = mA, waarin o/ de hoek is waaronder de bundel op het raster invalt, m het orde nummer van de bundel, a de periode van het raster en Λ de golflengte van de straling. Het raster kan zodanig uitgevoerd worden dat het 15 grootste gedeelte van de stralingsenergie in de eerste orde terecht keurt. Binnen de eerste orde worden de stralingscarponenten met verschillende golflengten onder verschillende hoeken af gebogen, zoals in Fig. 3 met de gestippelde pijlen is aangegeven.

Volgens de uitvinding wordt aan elk langwerpig gebied van 20 Fig. 2 een verloop als volgens Fig. 3 gegeven, waardoor de dubbel-periodieke structuur 3 volgens Fig. 1 ontstaat. In de X-richting ziet een zich door de lichtgeleidende laag 2 voortplantende golf in essentie de structuur van Fig. 2 zodat deze golf gereflecteerd wordt. Door de zich in de ¥-richting uitstrékkende' periodieke structuur van naar voren 25 komende en terugwijkende gedeelten 5 en 6 van de ribbels gedraagt de periodieke structuur 3 zich tevens als een diffractieraster dat een invallende bundel met verschillende golflengten splitst in een «aantal bundels hj, b^, b^ waarbij de richting van deze bundels wordt bepaald door de golflengten ^ -\ > ^2' ^3* Onbekeerd zullen een aantal bundels 30 met verschillende golflengten die onder de juiste hoeken qp de periodieke structuur 3 invallen in één bundel met verschillende golflengten verenigd kunnen worden. Met behulp van de in de literatuur voorhanden uitgebreide kennis op het gebied van rasters en planaire periodieke structuren kan de geometrie van de dubbel periodieke structuur 3 zo ontworpen worden 35 dat een goede reflectie en een hoog diffractie-rendement verkregen wordt.

In de uitvoeringsvorm volgens Fig. 1 bestaat het dubbelperiodie-ke oppervlakte-profiel uit ribbels op de lichtgeleidende laag 2.

In plaats van uit ribbels kan het oppervlakte-profiel ook uit 8304311 EHN 10.888 5 % groeven bestaan. Het cppervlakte-profiel behoeft niet kanteelvormig te zijn maar kan ook een sinusvormig verloop hebben. De genoemde profielen kunnen gerealiseerd worden met behulp van technieken die gebruikt worden bij de fabricage van geïntegreerde schakelingen.

5 De dubbel-periodieke structuur kan ode bestaan uit smalle plakjes metaal cp de lichtgeleidende laag. Deze plakjes gedragen zich als verstoringselementen op analoge manier als de ribbels of de groeven.

Cp de lichtgeleidende laag kan nog een extra laag 13 aangebracht zijn ter bescherming van het oppervlakte-profiel of de structuur van 10 metaalplakjes.

De duhbelperiodieke structuur kan zich ook geheel in de lichtgeleidende laag bevinden. Dan bestaat de structuur 3 uit gebieden die een andere brekingsindex hebben dan de lichtgeleidende laag 2. De gewenste hrekings index-var iatie kan verkregen worden door een ionenbombardement 15 of een ionenuitwisseling.

Een belangrijke toepassing van het planaire reflectieraster ligt op het gebied van geïntegreerde (de-)multiplexers voor glasvezels.

Een diergelijke (de-)multiplexer, die in Fig. 4 is weergegeven, kan bestaan. uit een substraat 1 met daarop een lichtgeleidende laag 2. In 20 deze laag is behalve het reflectieraster volgens Fig. 1 een planaire lens in de vorm van een geodetische lens 7 aangebracht. Aan de lichtgeleidende laag is een ingangsvezel 8 gekoppeld waarvan de hartlijn samenvalt met een meriodionale lijn van de geodetische lens. Deze lens zet de uit de vezel 8 uittredende divergerende bundel cm in een evenwijdige bundel die 25 cp het planaire reflectieraster 3 invalt. De ccmponenten met verschillende golflengtes van de hundel warden in zodanige richtingen gereflecteerd dat zij via de lens 7 naar de verschillende uitgangsvezels 9, 10 en 11 gericht worden. Gngekeerd zullen bundels met verschillende golflengtes die via de vezels 9, 10 en 11 de lichtgeleidende laag binnentreden in één bundel 30 verenigd warden die naar de vezel 8 gericht is.

De geodetische lens kan worden gevormd door een rotatiesyrrmetrische verdieping in het substraat, welke verkieping door de lichtgeleidende laag die overal even dik is gevolgd wordt. Doordat ter plaatse van de verdieping de vorm van de laag 2 verandert veranderen ock de richtingen van 35 de randstralen van de bundel, zodat het gedeelte van de laag 2 ter plaatse van de verdieping een lenswerking heeft.

De planaire lens kan ook gevormd worden door een cirkelvomig gebied met een continue variërende brekingsindex in radiële richting.

8304311 * PHN 10.888 6

Eten bijzonder voordelige uitvoeringsvorm van een (de-)multiplexer volgens de uitvinding is in Fig. 5 weergegeven. Deze (de-)multiplexer bevat alleen nog maar een planair reflectieraster 3 en geen lens meer.

De langwerpige gebieden 4' zijn nu gekromd waardoor/ in de X-richting 5 gezien, de structuur 3' werkt als een concave reflector. Deze structuur reflecteert de van de vezel 8 afkomstige divergerende bundel als convergerende bundel. (¾) analoge manier als beschreven aan de hand van Fig. 1 wordt door de periodieke uitwijkingen van de langwerpige gebieden 4' de gereflecteerde straling onder verschillende richtingen af gebogen 10 als functie van de golflengte.

15 20 25 ♦ 30 35 83 0 4 3 1 1

Claims

1. Reflectieraster, met het kenmerk, dat het bestaat uit een dubbelperiodieke structuur van langwerpige gebieden op onderling constante afstand gelegen.in een lichtgeleidende laag die aangebracht is op een substraat, welke gebieden, in hun lengterichting gezien, periodieke 5 uitwijkingen vertonen, waarbij overeenkomstige gedeelten van de gebieden onderling evenwijdig zijn.

2. Reflectieraster volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de dubbelperiodieke structuur bestaat uit een profiel in het oppervlak van de lichtgeleidende laag.

3. Reflectieraster volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het profiel wordt gevormd door ribbels op de lichtgeleidende laag.

4. Reflectieraster volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het profiel wordt gevormd door groeven in de lichtgeleidende laag.

5. Reflectieraster volgens conclusie t, met het kenmerk, dat de 15 dubbelperiodieke structuur bestaat uit op de lichtgeleidende laag aangebrachte me taais trippen.

6. Reflectieraster volgens conclusie 2, 3, 4 en 5, met het kenmerk, dat op de lichtgeleidende laag met de dutelperiodieke structuur een beschermlaag is aangebracht.

7. Reflectieraster volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de dubbelperiodieke structuur bestaat uit gebieden in de lichtgeleidende laag die een anderer brekingsindex hebben dan de laag.

8. Optische multiplexer of demultiplexer bevattende een planaire lens en een reflectieraster, met het kenmerk, dat het reflectieraster 25 een raster volgens conclusie 1 tot en met 7 is en in de lichtgeleidende laag van de planaire lens is aangebracht.

9. Optische multiplexer of demultiplexer, met het kenmerk, dat hij bestaat uit een reflectieraster volgens conclusie 1 tot en met 7 waarvan de langwerpige gebieden een concaaf verloop hebben. 30 35 8304311