DE2329209C2

DE2329209C2 - Kopplungsvorrichtung für einen ebenen optischen Wellenleiter und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2329209C2
Application number: DE2329209A
Authority: DE
Inventors: Andre Paris Jacques; Daniel Antony Ostrowsky; Michel St. Germain-En-Laye Papuchon
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-06-07
Filing date: 1973-06-07
Publication date: 1983-06-16
Also published as: GB1438191A; JPS598802B2; US3885856A; JPS4957844A; FR2188175B1; FR2188175A1; DE2329209A1

Description

Pl λ \p₀ Pp) Pr

η sin φ_ί = — (sin φ₀ - sin φ_ρ) + sin

worin η der Brechungsindex des Wellenleiters, λ die Wellenlänge des zur Aufzeichnung des Hologrammes verwendeten Lichtes und X' die Wellenlänge des divergenten Lichtbündels ist und worin die Polarkoordinaten in bezug auf das Zentrum (C) des Hologrammes und eine durch dieses Zentrum verlaufende, auf der Ebene des Wellenleiters senkrechte Gerade definiert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Schicht aus einem negativen Harz besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der außerhalb des gebildeten Hologrammes gebildete Teil der lichtempfindlichen Schicht von der Fläche des ebenen Wellenleiters entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Schicht aus einem positiven Harz ist und in den Bereichen vorbelichtet wird, in denen sie nach der Bildung des Hoiogrammes entfernt werden muß.

Die Erfindung betrifft eine Kopplungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Bekanntlich leitet ein optischer Wellenleiter Lichtstrahlen infolge der Totalreflexion der Lichtstrahlen an den beiden den Wellenleiter begrenzenden Brechungsflächen.

Der Einfallswinkel Θ des Lichtes, der größer als der Totalreflexionswinkel sein muß, muß ferner zu einer diskreten und endlichen Folge von Winkeln θο.,. θ_ρ gehören. Diese Folge ist durch die Höhe des Wellenleiters, die Wellenlänge des Lichtes und die verschiedenen Brechungsindices des den eigentlichen Wellenleiter bildenden Materials und der die beiden Brechungsflächen des Wellenleiters begrenzenden äußeren Medien bestimmt

Jedem Winkel Q_n, entspricht eine Wellenform, die sich mit sehr wenig Verlusten ausbreitet

Die Erscheinung der Totalreflexion, die für die Ausbreitung des Lichtes in einem Wellenleiter unerläßlich ist wirft aber ein Problem beim Eintritt des Lichtes in den Wellenleiter auf: das Problem der Kopplung. Diese Kopplung kann z. B. durch ein Beugungsgitter erfolgen, das in einer Schicht aus lichtempfindlichem Material aufgezeichnet ist, die zuvor auf den Wellenleiter aufgebracht worden ist Die Gitterteilung und der Einfallswinkel einer praktisch ebenen Welle sind so bemessen, daß die Beugungsordnungen (im allgemeinen die Beugungsordnung 1) im Innern des Wellenleiters einer sich ausbreitenden Wellenform m entsprechen. Dabei ist es notwendig, mit einer praktisch ebenen einfallenden Welle zu arbeiten, damit die Ausbreitung eines beträchtlichen Bruchteils der Energie in einer einzigen Wellenform erreicht wird. Die Kurven, welche die Änderungen der eingekoppelten Intensität in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel darstellen, haben nämlich eine Halbwertsbreite von weniger als sechs Minuten.

Bei einer anderen Kopplungsvorrichtung, die Gegenstand der DE-AS 21 47 109 ist ist auf der Oberfläche eines Substrates ein Hologramm in einer lichtempfindlichen Schicht gebildet die auf der von dem Substrat abgewandten Seite des ebenen Wellenleiters angeordnet ist Dieses Hologramm bildet ein sogenanntes Kinoform, das die Eigenschaft hat, Strukturen in Form von konzentrischen Kreisbahnen aufzuweisen. Ein solches Kinoform mit einer Schar von konzentrischen Kreisen kommt zustande, wenn die Belichtung mit zwei Punktlichtquellen erfolgt die beide auf einer gemeinsamen Senkrechten zur Ebene des Wellenleiters liegen. Über die Kopplungsvorrichtung wird eine Lichtwelle in eine Lichtleitfaser eingekoppelt wobei der ebene Wellenleiter nur ein Zwischenmedium darstellt Wegen der kurzen Strecke, die das Licht in dem ebenen Wellenleiter zurücklegen muß, treten bei dieser Kopplungsvorrichtung nur geringe Verluste auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kopplungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die geeignet ist, ein divergierendes Lichtbündel in einen ebenen optischen Wellenleiter so einzukoppeln, daß sie sich in diesem unter geringsten Verlusten ausbreitet

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Verfahren zur Herstellung der Kopplungsvorrichtung ist im Patentanspruch 2 angegeben, und Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 3 bis 5 gekennzeichnet

Durch die Erfindung wird also eine Kopplungsvor= richtung für einen optischen Wellenleiter geschaffen, die auch die Verwendung eines konvergenten oder divergenten einfallenden Lichtbündels zur Erzielung einer praktisch ebenen Welle im Inneren des Wellenleiters ermöglicht, welche die für die Erregung einer vorbestimmten Wellenform des Wellenleiters notwen-

dige Ausbreimngsrich'.ung hat.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. I einen optischen Wellenleiter mit einer lichtempfindlichen Schicht als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig.2 den optischen Wellenleiter mit der fertigen Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig.3 ein Diagramm, das in Polarkoordinaten die Lagen verschiedener Lichtquellen zeigt, die für die Aufzeichnung eines Hologramms auf dem Wellenleiter und für die Rekonstruktion des sich im Wellenleiter ausbreitenden Lichtes durch das Hologramm bestimmt sind,

Fig.4 eine schematische perspektivische Ansicht einer Anordnung zur Aufzeichnung des Hologramms der Kopplungsvorrichtung und

F i g. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung,

Der in F i g. 1 gezeigte optische Wellenleiter 1st durch ein Substrat 1 gebildet, auf dessen obere Fläche 2 eine Schicht 3 aufgebracht ist, die das eigentliche Ausbreitungsmedium des optischen Wellenleiters bildet. An der dem Substrat 1 entgegengesetzten Fläche der Schicht 3 ist eine Schicht 4 aus lichtempfindlichem Material angeordnet Die Schicht 4 kann direkt auf die Schicht 3 aufgebracht sein, wie in F i g. 1 gezeigt ist, oder auf eine Zwischenschicht aus einem brechenden Material, die mit der Schicht 3 in Kontakt steht.

Es sei angenommen, daß der Wellenleiter durch ein von einer Quelle 5 (Fig.2) abgegebenes divergentes Bündel erregt werden soll, das die Wellenfront Σ ρ hat. Wenn die Quelle 5 als Objektlichtquelle gewählt wird, muß genau das Bezugsbündel bestimmt werden, das zur Aufzeichnung eines Hologramms notwendig ist, das in der Lage ist, die Umwandlung des divergenten Bündels in eine ebene Welle mit der Wellenfront Σ\ und mit geeigneter A'isbreitungsrichtung in dem Wellenleiter 3 zu gewährleisten.

Zu diesem Zweck wendet man die Konjugationsbeziehungen an, welche die Tatsache berücksichtigen, daß der Brechungsindex des bildseitigen Mediums, d. h. des Wellenleiters 3, von dem Brechungsindex des objektseitigen Mediums, nämlich Luft, verschieden ist.

Im allgemeinen ist die für die Kopplung verwendete Wellenlänge verschieden von der Wellenlänge, die der besten Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Materialien entspricht. Deshalb sind die nachstehenden Konjugaiionsbeziehungen unter der Annahme gesucht worden, daß diese beiden Wellenlängen verschieden sind.

Es seien:

λ die Wellenlänge für die Aufzeichnung des Hologramms;

λ' die Rekonstruktionswellenlänge, d. h. die Wellenlänge des Lichts, das nach der Bildung des Hologramms dem Wellenleiter zugeführt wird;
y

λ" = — die Rekonstruktionswelleniänge in einem

Medium mit dem Brechungsindex /;.

Die Polarkoordinaten q\, φι des durch ein Hologramm gelieferten normaler. Bildes sind durch die folgenden Gleichungen definiert:

P\ λ \Po P₁J λ'

λ" λ"

sin Pi=- (sin ^₀ ~ sin φ_ρ) -t- — sin

Λ λ

Wie das Diagramm von Fig.3 zeigt, das auch die Vorzeichenübereinkunft angibt, sind mit ρο, ψο und Qp, φ_ρ die Polarkoordinaten der Lichtquellen S₀ (Objektlichtquelle) bzw. S/>(BezugsIichtque|le) bezeichnet, die für die Aufzeichnung des Hologramms 6 verwendet werden, während mit ρ«, φ« die Polarkoordinaten der Lichtquelle Sr bezeichnet sind, welche das auf diese Weise aufgezeichnete Hologramm beleuchtet. Das vom Hologramm 6 gelieferte Bild der Lichtquelle Sr hat dann die Polarkoordinaten q\, ψ\.

In F i g. 3 ist zu erkennen, daß das Hologramm 6 an der Brechungsfläche angeordnet ist, die die Luft mit dem Brechungsindex 1 von dem Material des Wellenleiters 3 mit dem Brechungsindex η voneinander trennt. Der Mittelpunkt C des Hologram-ins 6 wird als Ursprung für die Entfernungen angesehen, und die im Punkt C senkrecht auf der Brechungsfläche stehende Gerade als Bezugsrichtung für die Winkel φ.

Um aus den zuvor angegebenen Beziehungen die Werte von ρο, ψο abzuleiten, welche die Lage der Lichtquelle Sbbestimmen,berücksichtigt man,daß

1. die sich im Wellenleiter ausbreitende Welle eben sein muß, was bedingt 1/ρι=0;

2. der Winkel φ) einer der Winkel der eingangs definierten Reihe θο ...Qp sein muß, was bedingt <pi= 6_m (Kopplungsbedingung für die Wellenform m).

Wie ferner nachstehend anhand von Fig.4 und 5 gezeigt wird, haben die Lichtquellen S_P (die für die Aufzeichnung verwendet wird) und 5« (die für die Beleuchtung des Hologramms verwendet wird) die gleiche Lage in bezug auf den Wellenleiter, was ergibt Qp= Qr und φρ= φ«.

Für die Aufzeichnung eines Hologramms wird die Anordnung von F i g. 4 verwendet.

Als Beispiel soll die Kopplung einer ootischen Faser von 5 μπι Durchmesser mit der Grundwelleniorm (m=0) eines dielektrischen Wellenleiters erzielt werden.

Für die Aufzeichnung verwendet man einen Argonlaser mit der Wellenlänge λ = 0,4579 μιη.

Es ist ferner bekannt, daß der Wellenleiter mit einer optischen Faser gekoppelt werden soll, welche das von einem Helium-Neon-La&er abgegebene Licht mit der Wellenlänge λ' = 0,6328μπι überträgt, daß Luft den Brechungsindex n₂= 1,000 hat, daß der Wellenleiter den Brechungsindex Πι = 1,595 hat, daß das Substrat den Brechungsindex n₀= 1,515 hat, daß die Grundwellenform den Ausbreitungswinkel θ_Ρ = 80° hat, und daß der Wellenleiter die Dicke W=0^mhat.

Ferner wird vorgeschrieben:

a) daß die Wellenform der Ausbreitung die Grundwellenform ist, was ergibt: φι=θο = 8Ο°;

b) daß die von den Lichtquellen 5b und Sp abgegebenen Lichtbündfl symmetrisch in bezug auf die Senkrechte auf die Brechungsfläche im PunKt C sind, was ergibt:ςρο= -φρ= -φ«;

c) ρ/>= ρ«= I cm.

Aus den zuvor angegebenen Gleichungen können dann die folgenden Werte abgeleitet werden:

40'

φ ψ φ
S₀C= ρο = 3,57 cm.

Diese Werte definieren die Bedingungen für die Aufzeichnung des Hologramms. m

Das verwendete lichtempfindliche Material ist beispielsweise das positive Harz (Potolack) Shipley AZ IJ50. dessen Brechungsindex größer als der Brechungsindex n\ des Wellenleiters ist.

Fig. 4 zeigt den optischen Wellenleiter mit dem π Substrat I, das eine Schicht 3 trägt, die den eigentlichen Wellenleiter bildet, und auf deren obere fläche eine Schicht 4 aus lichtempfindlichem Material aufgebracht ist. Diese Anordnung wird mit dem Licht eines Argoniasers 7 bemiiiei. dessen Bünde! S durch eine im .i· Winkel von 45° im Lichtweg angeordnete teilreflektierende Platte 9 in zwei Teile aufgespalten wird. Der nicht von der Platte reflektierte Teil 10 des Bündels trifft auf eine Linse II. die das Licht in ihrem Brennpunkt So fokussiert, der von dem Punkt Can der Oberfläche der r> Harzschicht 4 in einem Abstand liegt, der gleich dem zuvor angegebenen Wert ρο ist.

Der von der Platte 9 reflektierte Teil 12 des Bündels wird von einer optischen Faser 13 aufgenommen, deren dem Wellenleiter benachbartes F.nde Sp von dem Punkt in Cim Abstand obliegt.

Die Achsen der beiden auf diese Weise erhaltenen Teile des Bündels 8 haben die Neigung φο bzw. φ ρ. so daß der Bereich 14 des lichtempfindlichen Materials 4 der Belichtung durch zwei Lichtbündel ausgesetzt ist, die 3; von zwei Lichtquellen Sn bzw. Sp kommen, welche die Bedingungen für die Aufzeichnung des gewünschten Hologramms erfüllen.

Wenn der Aufzeichnungsvorgang beendet ist. wird das lichtempfindliche Material entwickelt, wodurch das Hologramm 14 an der Oberfläche des Wellenleiters entsteht.

Die für die Ausbreitung einer Wellenform notwendige Totalreflexionserschcinung setzt voraus, daß der Brechungsindex des Wellenleiters größer als der a Brechungsindex jedes der beiden benachbarten Medien ist. Falls der Brechungsindex des lichtemp'findlichen Harzes größer als der Brechungsindex des Wellenleiters ist, besteht die Gefahr, daß sich die erregte Wellenform in der Harzschicht ausbreitet. Man kann diesen Nachteil dadurch vermeiden, daß man das Harz nach dem Entwickeln nur im Bereich des Hologramms beibehält. Falls das Harz negativ ist. ist die Totalreflexion direkt nach dem F.ntwickeln gewährleistet, denn das Harz wird automatisch rings um das Hologramm entfernt. Falls das Harz positiv ist, braucht es nur in den Bereichen vorbelichtet zn werden, in denen es nach dem F.ntwiekcln um wünscht ist. In beiden lallen bleibt somit von der lichtempfindlichen Schicht nur die das Hologramm bildende Zone 14 bestehen.

Das auf diese Weise gebildete Hologramm 14 ermöglicht die Kopplung einer optischen Faser mit der Grundwellenform des Wellenleiters. Zu diesem Zweck verwendet man die Anordnung von F i g. 5.

F.ill Hfiiuiii-Neon-i.asci \"i emiiiieii ciii i.n-iiiuüiiuel 16, das von einer optischen Faser 17 von 5 μπι Durchmesser aufgenommen wird, deren Ende Sr von dem Punk! C des Hologramms 14 im Abstand ο« angeordnet ist. wobei die A^hse des von der Faser 17 abgegebenen LichtbündeKden Einfallswinkel q _R hat

Das Licht des Lasers 15, das aus der optischen Faser 17 mit der Wellenfront Σρ austritt, wird somit in den Wellenleiter eingekoppelt, wobei es von dem HoIogrami.r 14 in eine ebene Welle mit der Wellenfront 2Ί umgeformt wird, die sich im Wellenleiter in der durch den Pfeil angedeuteten allgemeinen Richtung ausbreitet.

Das zuvor beschriebene holografische Kopplungsverfahren ermöglicht die Erregung einer gegebenen Wellenform m in einem optischen Wellenleiter mit Hilfe eines einfallenden Bündels, das konvergent oder divergent sein kann, oder sogar stark divergent, wie es bei einem Bündel der Fall ist. das von einer quasi punktförmigen optischen Faser abgegeben wird.

Bei der zuvor beschriebenen Ausführ.ingsform bildet die erhaltene Kopplungsvorrichtung die Eingangskopplungsvorrichtung, doch ist es natürlich auch möglich, eine Ausgangskopplungsvorrichtung für den Wellenleiter in gleicher Weise zu realisieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kopplungsvorrichtung für einen ebenen optischen Wellenleiter, der auf der Oberfläche eines Substrates angeordnet ist mit ainem Hologramm, das in einer lichtempfindlichen Schicht gebildet ist, die auf der von dem Substrat abgewandten Seite des ebenen Wellenleiters angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzstrukturen des Hologramms durch zwei kohärente Punktlichtquellen gebildet sind, deren Lagen nicht auf einer gemeinsamen Senkrechten zu dem ebenen Wellenleiter in bezug auf die lichtempfindliche Schicht so gewählt sind, das ein auf das Hologramm auftreffendes divergentes Lichtbündel in eine ebene Welle umgeformt wird, die sich in dem Wellenleiter mit einer vorbestimmten Wellenform ausbreitet

2. Verfahren zur Herstellung einer Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Peiarkoordinaten (ρο, ψο und Qp, φ_ρ) der zwei kohärenten Punktlichtquellen (S₀, SA die zur Aufzeichnung des Hologrammes verwendet werden, mit den Polarkoordinaten (ρι, φι) des Zentrums (C) des divergierenden Lichtbündels durch die folgenden Beziehungen miteinander verknüpft sind: