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DE3883638T2 - Flexibles Replika-Gitter und optischer Multiplexer/Demultiplexer mit Anwendung eines solchen Gitters. - Google Patents

Flexibles Replika-Gitter und optischer Multiplexer/Demultiplexer mit Anwendung eines solchen Gitters.

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DE3883638T2
DE3883638T2 DE88110043T DE3883638T DE3883638T2 DE 3883638 T2 DE3883638 T2 DE 3883638T2 DE 88110043 T DE88110043 T DE 88110043T DE 3883638 T DE3883638 T DE 3883638T DE 3883638 T2 DE3883638 T2 DE 3883638T2
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DE
Germany
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grating
flexible
layer
replica
demultiplexer
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Eiichi Hasegawa
Teiyu Kimura
Nobuyuki Kuzuta
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Replika-Gitters.
  • Die US-A-4 274 706 offenbart eine Kopplungseinheit für das Multiplexen oder Demultiplexen der Wellenlänge von multimodularen optischen Signalen in optischen Schaltungen. Durch eine Eingangs-/Ausgangsoberfläche an einem Ende eines ebenen optischen Wellenleiters, der innerhalb eines Glassubstrats ausgebildet ist, eintretendes Licht gelangt zu einem konvex geformten zweiten Ende des Wellenleiters, auf dem angrenzend ein flexibles reflektierendes Diffraktionsgitter befestigt ist. Das Licht wird durch das Diffraktionsgitter diffraktiert und durch das ausgeformte Ende zurück auf das erste Ende des Wellenleiters fokussiert. Das Reflektions-Diffraktionsgitter ist aus dünnem flexiblen Material hergestellt und weist Gitterlinien rechtwinklig zu der oberen und unteren Außenseite des Wellenleiters auf. Das Gitter besitzt eine Vielzahl von Vertiefungen und Wellen mit gleichem Abstand. Normalerweise wird das Gitter von einem Replika-Gitterblatt abgeschnitten, das einen Azetat-Plastikfilm mit 512 Vertiefungen pro Millimeter aufweist. Ein den Plastikfilm überziehender dünner Aluminiumfilm verleiht dem Gitter ein hohes Reflektionsvermögen.
  • Die EP-A-0 175 460 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Diffraktionsgitters, wobei die Gittertragseite eines Mastergitters mit einem Ablösemittel überzogen wird und ein steifes Substrat angebracht wird, das mit einer Schicht eines ultraviolettempfindlichen flüssigen Kunstharzes versehen wird, bevor das Mastergitter und das Substrat zusammengebracht werden, um einen Film von flüssigem Kunstharz dazwischen abzuscheiden, wonach das flüssige Kunstharz durch Belichten mit ultraviolettem Licht durch das Mastergitter ausgehärtet wird und das Mastergitter und das kunstharzprofilierte Substrat vor der Komplettierung des Diffraktionsgitters durch Anordnen eines dünnen Metallfilms auf der kunstharzprofilierten Außenseite des Substrats getrennt werden. Diese Methode ist ziemlich teuer, da eine extra ultraviolette Lichtquelle zum Präparieren der Oberfläche des Gitters benötigt wird.
  • Die US-A-4,287,235 zeigt eine Technik zum Herstellen kontrastreicher Röntgenstrahlenmasken mit einer präzis gesteuerten Linienbreite. Die Technik basiert darauf, daß rechtwinklig auf eine Reliefstruktur mit dreieckförmigem oder rechteckförmigem Querschnitt in einer Polyimid Plastikmembran ein Röntgenstrahlabsorbermaterial angeordnet wird. Die erforderlichen dreieckförmigen Querschnittstrukturen werden in Silikon hergestellt durch anisotropes chemisches Ätzen und dann durch Gießen auf das Polyimid übertragen. Für diese Herstellungsart sind zusätzliche Sicherungsmaßnahmen erforderlich, da gefährliche Röntgenstrahlen eingesetzt werden.
  • In JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIE7VY OF AMERICA, Vol. 44, No. 9, September 1954, Seiten 669-671; G. Hass et al: "Method for Producing Replica Mirrors with High Quality Surfaces" ist eine Methode zum Herstellen von Replika-Spiegeln mit einer hohen Qualitätsoberfläche beschrieben. Durch diese Methode werden die letzten Spiegelüberzüge auf die Masterform aufgedampft und mit dem Replika- Körper getrennt, an den sie anhaften. Daher sind keine Endüberzüge erforderlich, nachdem die Replikas von der Masterform getrennt worden sind. Die mit den fertigen hochreflektierenden Überzügen versehenen Replikas werden direkt auf der Masterform präpariert. Das Substrat besteht aus Epoxidharz, wobei eine Schicht aus Aluminium an dem Substrat anhaftet.
  • Ein Verfahren zum Ausbilden von Diffraktionsgitter-Masteriormen basierend auf das Übertragen von Filmen ist in US-A-3,337,945 offenbart. Dieses Verfahren enthält folgende Schritte: Vorsehen einer Glasplatte mit einer auf derselben ausgebildeten polierten optischen Masteroberfläche, Ausbilden eines extrem dünnen Films einer Lösungsmittelsubstanz auf dieser Oberfläche, Anordnen einer dicken metallischen Schicht auf diesem Film, Überziehen dieser Schicht mit einem dünnen Überzug aus Zement, Anbinden einer Glasrückplatte auf dieser Schicht durch die Wirkung des Zements und Aushärten des Zements, Trennen dieser Masterglasplatte von der Metallschicht, um die auf ihr durch die optische Masteroberfläche der Glasplatte ausgebildete optische flache Oberfläche freizulegen und Polieren einer periodischen Ausnehmungsstruktur des Diffraktionsgitters in die Metallschicht, die gegenüberliegend der Masteroberfläche ausgeformt worden ist. Das Material für die Metallschicht ist hochreines Aluminium; darüberhinaus sind andere Metalle wie beispielsweise Gold möglich. Alle bekannten Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Replika-Gitters können keine ausreichende Flexibilität gewährleisten. Im Falle eines dünnen Schichtsubstrats für eine höhere Flexibilität entstehen Schwierigkeiten im Herstellungsprozeß und diese Verfahren sind nicht produktiv.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahrensschritte zum Herstellen eines flexiblen Replika-Gitters mit einer ausreichenden Flexiblilität anzugeben.
  • Das folgende Verfahren ermöglicht es, flexible Replika-Gitter herzustellen: Aufbringen einer Ablösemittelschicht für eine Form auf die Oberfläche eines Master-Diffraktionsgitters; Aufbringen einer Metallschicht auf die Ablösemittelschicht für die Form; Aufbringen einer synthetischen Kunstharzschicht auf die Metallschicht; Aufbringen eines flexiblen synthetischen Kunstharzfilms auf die synthetische Kunstharzschicht; Aushärten der synthetischen Kunstharzschicht; und Entfernen der Kombination der Metallschicht, der synthetischen Kunstharzschicht und des flexiblen synthetischen Kunstharzfilms von dem Master-Diffraktionsgitter, um ein flexibles Replika-Gitter zu erhalten.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird verdeutlicht durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die zugehörigen Zeichnungen, welche lediglich Ausführungsbeispiele zeigen und daher die vorliegende Erfindung nicht beschränken, wobei
  • Fig. 1 bis 3 Herstellungsschritte eines flexiblen Replika-Gitters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • Fig. 4 ein Schaubild zeigt, das den Vergleich der Ausnehmungskonturen zwischen der Oberfläche eines Master-Diffraktionsgitters und der Oberfläche eines Replika- Gitters gemäß Fig. 3 darstellt;
  • Fig. 5 einen optischen Multiplexer/Demultiplexer gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Anmeldung zeigt;
  • Fig. 6 einen optischen Demultiplexer gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
  • Fig. 7 einen optischen Spektrumsanalysierer und eine Halogenlampenlichtquelle zeigt;
  • Fig. 8 ein Schaubild zeigt, das die Einfallsverlusteigenschaft des Demultiplexers ohne das flexible Replika-Gitters repräsentiert; und
  • Fig. 9 ein Schaubild der Verzweigungscharakteristik des Demultiplexers zeigt.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Es wird die Aufmerksamkeit auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gerichtet, das ein flexibles Replika-Gitters per se betrifft.
  • Die Fig. 1 bis 3 zeigen Herstellungsschritte des flexiblen Replika-Gitters.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt, wird zuerst ein Master-Diffraktionsgitter 1 erzeugt. Eine flüssige Lösungsmittelschicht 2 wird auf der Oberfläche des Master-Diffraktionsgitters 1 angebracht. Eine Metallschicht 3, beispielsweise eine Aluminiumschicht, wird auf der flüssigen Lösungsmittelschicht 2 angeordnet. Die Metallschicht 3 wird so hergestellt, daß sie eine wellenartige Kontur aufweist. Anstelle der Metallschicht 3 kann auch bevorzugt eine Goldschicht eingesetzt werden.
  • Wie in Fig. 2 dargestellt, überzieht eine synthetische Kunstharzschicht 4, beispielsweise eine vollständig entschäumte Epoxydharzschicht, die Metallschicht 3. Auf die als Füllschicht ausgebildete Kunstharzschicht 4 ist ein flexibler synthetischer Kunstharzfilm 5, beispielsweise ein Polyimidfilm, geschichtet. Durch gleichmäßiges Aufeinanderpressen der Schichten 4 und 5 wird Luft aus dem Zwischenraum zwischen den Schichten 4 und 5 herausgedrückt. Jede Art von Polyimidfilm kann für den Film 5 verwendet werden. Beispielsweise wird ein Film von der Fa. Nitto Denko Co., Ltd., Japan unter dem Warenzeichen "Nitto-Mid U-Film U" eingesetzt. Die synthetische Kunstharzschicht 4 wird bevorzugt bei über 60ºC ca. 8 Stunden lang ausgehärtet.
  • Nachdem die Kunstharzschicht 4 ausgehärtet ist, wird die Kombination der Metallschicht 3, der Kunstharzschicht 4 und des Kunstharzfilms 5 von dem Master- Diffraktionsgitter 1 gelöst. Durch Entfernen der Lösungsmittelschicht 2 von der Oberfläche der Metallschicht 3 wird ein Replika-Diffraktionsgitter 6 erhalten, wie in Fig. 3 dargestellt. Bevorzugt beträgt die Dicke der Metallschicht ca. 0.1 um, die Dicke der Kunstharzschicht 4 ca. 10-20 um und die Dicke des Kunstharzfilms 5 ca. 125 um.
  • Da das oben erwähnte Replika-Gitter 6 einen beispielsweise Polyimid enthaltenden Kunstharzfilm 5 enthält, kann eine hohe Flexibilität erzielt werden. Das Gitter kann leicht geschnitten werden. Eine derartige Flexibilität ermöglicht die Konstruktion eines Multiplexers/Demultiplexers.
  • Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das den Vergleich der Ausnehmungskonturen zwischen der Oberfläche des Masters-Diffraktionsgitters 1 und des Replika-Gitters 6 repräsentiert. Die Werte "A" von Fig. 4 repräsentieren die Ausnehmungskonturen auf der Oberfläche des Master-Diffraktionsgitters 1, während die Werte "B" von Fig. 4 diejenigen der Oberfläche des Replika-Gitters 6 repräsentieren. Dies zeigt, daß kein wesentlicher Unterschied aufgrund des Einsatzes des Polyimidfilms auftritt.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein flexibler synthetischer Kunstharzfilm eingesetzt, um ein Replika-Gitter vorzusehen, das mit einfachen Herstellungsschritten sehr flexibel ist.
  • Im folgenden wird ein optischer Multiplexer/Demultiplexer beschrieben, der das oben beschriebene flexible Replika-Gitter, einen Wellenleiter und ein Faserfeld enthält. Fig. 5 zeigt einen optischen Multiplexer/Demultiplexer.
  • Auf einem Wellenleitersubstrat 11 ist eine Mehrfachwellenleiterplatte 12 vorhanden. Das Ende der Mehrfachwellenleiterplatte 12 bildet eine konvexe Seite 13. Das andere Ende der Mehrfachwellenleiterplatte 12 stellt eine Eingangs-/Ausgangsseite 14 für die Mehrfachwellenleiterplatte 12 dar. Auf der konvexen Seite 13 ist ein flexibles Replika-Gitter 15 befestigt und entlang der Kontur der konvexen Seite 13 gekrümmt vorhanden. Die Enden von optischen Fasern 16, die innerhalb eines optischen Faserfelds 17 ausgerichtet sind, werden mit der Eingangs-/Ausgangsseite 14 gekoppelt. Obwohl bevorzugt ist, daß die Eingangs-/Ausgangsseite 14 der Mehrfachwellenleiterplatte 12 eine gekrümmte Außenseite aufweist, wird die Seite 14 als flache Ebene ausgebildet, da es schwierig ist, die Enden der optischen Fasern mit solch einer gekrümmten Außenseite zu verbinden . .
  • Im Betriebszustand des optischen Demultiplexers gemäß Fig. 5 wird das Licht mit den Wellenlängen λ2 und λ3 innerhalb einer der optischen Fasern 16 übertragen und fällt auf die Mehrfachwellenleiterplatte 12 mit einem Winkel Ri zur optischen Achse durch die Eingangs-/Ausgangsseite 14 ein. Das die Mehrfachwellenleiterplatte 12 passierende einfallende Licht wird durch das flexible Replika-Gitter 15 diffraktiert, das auf der konvexen Seite 13 angeordnet ist. Das Licht mit den Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 wird jeweils diffraktiert in die Richtung mit den Winkeln R1, R2 und R3. Daher wird das diffraktierte Licht an unterschiedlichen Positionen auf der Eingangs-/Ausgangsseite 14 fokussiert. Jede der optischen Fasern 16 ist an den Vokussierpositionen so angeordnet, daß eine individuelle Faser 16 spezifisches Licht unter den Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 übertragen kann.
  • Falls der Multiplexer gemäß Fig. 5 im Betriebszustand ist, wird das Licht mit den Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 in umgekehrter Richtung übertragen. Das Licht wird durch das flexible Replika-Gitter 15 diffraktiert, so daß es an einem Punkt fokussiert wird, der einen Winkel von Ri mit der optischen Achse der Eingangs-/Ausgangsseite 14 bildet. Eine einzelne Faser 16 kann das gemischte Licht mit den Wellenlängen λ, λ2 und λ3 übertragen.
  • Gemäß einem zweiten Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ein Demultiplexer beispielsweise drei Kanäle auf und die mittlere Wellenlängen der Kanäle betragen jeweils 1200, 1310 und 1550 nm.
  • Die Bandpaßbreite (volle Breite bei halbem Maximum) eines jeden Kanals beträgt ca. 40 nm. Mit diesen Merkmalen kann die Anpassung zwischen Laserdioden und dem Demultiplexer verbessert werden.
  • Die gemäß diesem Ausführungsbeispiel hergestellte Vorrichtung ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Diese Vorrichtung besitzt ein flexibles Replika-Gitter 20, einen eingebetteten optischen Wellenleiter 21 und ein ungleichmäßiges Faserraumfeld 22. Die Bandpaßbreite hängt von der Ausbildung der drei Bauteile ab.
  • Die Ausbildung des Gitters und die Konfiguration des Wellenleiters sind mehr oder weniger optional. Auf der anderen Seite sind die in dem Demultiplexer eingesetzten Fasern beschränkt. In diesem Anwendungsbeispiel weist die Eingangsfaser 23 einen Gradientenfaserinnendurchmesser (GI) von 50 um, einen Außendurchmesser von 125 um mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,2 auf. Die Ausgangsfaser 24 weist einen GI von 80 um, einen Außendurchmesser von 125 um mit einer Apertur von 0.24 auf.
  • Das Diffraktionsgitter ist so ausgebildet, daß eine breite Bandpaßbreite eines jeden Kanals erzeugt und Polarisierung eliminiert wird.
  • Die Polarisierung eines Diffraktionsgitters wird durch den Einsatz eines Gitters mit einem sehr geringen Strahlungswinkel vermieden. Der Strahlungswinkel des in dem Demultiplexer eingesetzten Gitters beträgt ca. 1.50, was ausreichend gering ist, damit keine Polarisation auftritt. Dieses flexible Replika-Gitter wurde in einfacher Weise entlang der konvexen Endaußenseite des Wellenleiters gebogen; daher wird durch Verbinden des Gitters auf der konvexen Außenseite in einfacher Art und Weise ein konkaves Gitter gebildet.
  • Der optische Wellenleiter wurde durch einen Ionenaustauschprozeß hergestellt. Um einen geringen Ausbreitungsverlust des Wellenleiters zu gewährleisten, wurde eine eingebettete Struktur eingesetzt. Der Herstellprozeß des Wellenleiters ist wie folgt. 1. Schritt: Thermischer Ionenaustausch, der auf der Oberfläche eines Glassubstrates eine eine hohe Thalliumkonzentration aufweisende Schicht ausbildet. 2. Schritt: Thermische Diffusion, welche das Thalliumprofil glättet. 3. Schritt: Durch ein elektrisches Feld unterstützte Ionenwanderung, die den Wellenleiter einbettet. Die Führungsschicht des Wellenleiters war ca. 70 um dick und der Mittelpunkt des Wechsels des Refraktionsindex war ca. 40 um nahe der Oberfläche. Der Ausbreitungsverlust des Wellenleiters wird später abgehandelt werden. Nach den oben erwähnten Schritten wurde das Glassubstrat in die in Fig. 6 dargestellte Kontur gebracht. Das konvexe Ende und die schräggestellte Außenseite wurden poliert.
  • Um die optischen Fasern in geeigneten Positionen anzuordnen, wurde foto-sensitives Glas eingesetzt. Jede optische Faser wurde in einer rechteckförmigen Konturausnehmung auf dem foto-sensitiven Glas plaziert. Die Ausnehmungsbreite und - tiefe betrugen 126 um und die Abstände zwischen den Ausnehmungen betrugen beim Eingangs- 1200 nm-Kanal 125 um, beim 1200-1310 nm-Kanal 12.5 um und bei dem 1310-1550 nm-Kanal 175 um. Das foto-sensitive Glas mit Ausnehmungen und die optischen Fasern wurden miteinander verklebt, um das ungleichmäßige Faserraumfeld zu bilden.
  • Der Demultiplexer wurde mit dem flexiblen Replika-Gitter, dem optischen Wellenleiter und dem Faserfeld zusammengefügt. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Relativposition zwischen dem Wellenleiter und dem Feld so eingestellt, daß die mittlere Wellenlänge jedes Kanals dem vorbestimmten Wert entspricht.
  • Die Verzweigungscharakteristik des Multiplexers wird mit einem optischen Spektralanalysierer 30 und einer Halogenlampenlichtquelle 31, wie in Fig. 7 dargestellt, bemessen. Das optische Leistungsspektrum der Lichtquelle wurde als Referenzlevel mit einer optischen Faser mit einem GI 50 um Innendurchmesser gemessen. Der Eintrittsverlust des Multiplexers ohne die Diffraktionseffizienz des Replika- Gitters wurde mittels des von der konvexen Endoberfläche des Wellenleiters reflektierten Lichtes gemessen. In diesem Anwendungsbeispiel der Erfindung breitet sich der Licht von der Eingangsfaser 32 entlang des Wellenleiters auf einer Lange von 30 mm aus und wird durch die konvexe Endaußenseite reflektiert. Das reflektierte Licht breitet sich wiederum entlang des Wellenleiters innerhalb der Ausgangsfaser 33 aus. In diesem Fall war das konvexe Ende mit Aluminium überzogen. Fig. 8 zeigt das Meßergebnis. Der Verlust im vorgegebenen Wellenlängenbereich ist genügend gering, nämlich unter 0.5 dB. Dieser geringe Ausbreitungsverlust läßt darauf schließen, daß der eingebettete Wellenleiter sehr gleichförmig ausgebildet war. Fig. 9 zeigt die Verzweigungscharakteristik des Demultiplexers. Wie in Fig. 9 dargestellt, bewegt sich der kleinste Einfallverlust der drei Kanäle zwischen 2,0 und 2,4 dB und die Bandpaßbreite nimmt Werte zwischen 40 bis 41.5 nm an.
  • Die mittlere Wellenlänge eines jeden Kanals wurde innerhalb ±10 nm ohne irgendwelche Schwierigkeiten eingestellt. Ein kleiner Versatz zwischen der experimentellen Wellenlänge und dem gewünschten Wert war jedoch unvermeidbar aufgrund der Toleranz beim Herstellprozeß der Kontur des Wellenleiters. In diesem in Fig. 9 dargestellten Fall wurde der 1550-nm-Kanal um 1.5 nm näher zu einer kürzeren Wellenlänge und der 1200-nm-Kanal um 0.75 nm näher zu einer längeren Wellenlänge verschoben. Die Diffraktionseffizienz des Replika-Gitters wurde aus dem oben erwähnten minimalen Einfallsverlust und Ausbreitungsverlust abgeschätzt. Die geschätzte Effizienz, ca. 65%, zeigte eine gute Übereinstimmung mit einem versuchsweise hergestellten Mastergitter. Ausgehend von diesen Resultaten kann festgestellt werden, daß das flexible Replika-Gitter ein sehr gutes Duplikat des Mastergitters war und das Krümmen des Replika-Gitters zum Herstellen eines konkaven Gitters einen geringen Einfluß auf die Verteilcharakteristik des Replika-Gitters hat.
  • Ein flexibles Replika-Gitter, ein eingebetteter optischer Wellenleiter und ein ungleichmäßiges Faserraumfeld sind in einer Einheit angeordnet, um einen Dreikanal-Demultiplexer auszubilden. Das flexible Replika-Gitter wurde eingesetzt, um ein konkaves Gitter zu realisieren und es leistete gute Dienste als Demultiplexer. Das ungleichmäßige Faserraumfeld ermöglichte es, das Eingangslicht in drei spezifische Wellenlängenkanäle aufzusparen. Das ungleichmäßige Faserraumfeld wurde eingesetzt, um die mittlere Wellenlänge jedes Kanals auf jeweils 1200, 1310 und 1550 nm einzustellen. Die geringsten Einfallsverluste der Kanäle lagen in einem Bereich zwischen 2.0 bis 2.4 dB und der Unterschied zwischen dem experimentell festgestellten Wert der mittleren Wellenlänge und des gewünschten Wertes war mit unter 2 nm sehr gering.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Replika-Gitters (6) mit folgenden Verfahrensschritten:
    Aufbringen einer Ablösemittelschicht (2) für eine Form auf die Oberfläche eines Master-Diffraktionsgitters (1); Aufbringen einer Metallschicht (3) auf die Ablösemittelschicht (2) für die Form; Aufbringen einer synthetischen Kunstharzschicht (4) auf die Metallschicht (3); Aufbringen eines flexiblen synthetischen Kunstharzfilms (5) auf die synthetische Kunstharzschicht (4); Aushärten der synthetischen Kunstharzschicht (4); und Entfernen der Kombination der Metallschicht (3), der synthetischen Kunstharzschicht (4) und des flexiblen synthetischen Kunstharzfilms (5) von dem Master- Diffraktionsgitter (1), um ein flexibles Replika-Gitter zu erhalten.
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