DE4425358A1 - Method for the optical isolation of a laser-beam source and optical isolator, in particular for carrying out the method - Google Patents
Method for the optical isolation of a laser-beam source and optical isolator, in particular for carrying out the methodInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Isolation einer Laserstrahlquelle gegen Rückreflexionen eines von der Laserstrahl quelle emittierten Laserstrahles sowie einen optischen Isolator, ins besondere zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.The invention relates to a method for the optical isolation of a Laser beam source against back reflections from the laser beam source emitted laser beam and an optical isolator, ins special to carry out the aforementioned method.
In der Lasertechnik werden optische Isolatoren dazu verwendet, die Wirkung möglicher objektseitiger Rückreflexionen des emittierten La serstrahles auf den Laser zu verhindern, um so Schwankungen in der Betriebsweise oder einer Zerstörung des Resonators des Lasers zu ver meiden. Die nutzbare Lichtintensität kann im ungünstigsten Fall mit 100% in Richtung der Laserstrahlquelle zurückgekoppelt werden.Optical isolators are used in laser technology Effect of possible object-side back reflections of the emitted La to prevent laser radiation to avoid fluctuations in the laser beam Operation or a destruction of the resonator of the laser ver avoid. In the worst case, the usable light intensity can be too 100% can be fed back in the direction of the laser beam source.
Die Rückkopplungsdämpfung DR ergibt sich zuThe feedback loss D R results in
wobei IN die nutzbare Intensität des Laserstrahles und IR eine als Störung am Laser wirksame, zurückgekoppelte Intensität eines in Rich tung des Lasers zu diesem zurücklaufenden Störstrahles bezeichnet.where I N denotes the usable intensity of the laser beam and I R denotes an effective as a disturbance on the laser, the feedback intensity of an interference beam returning to the laser in this direction.
Forderungen für die optische Isolation der Laserstrahlquelle liegen zwischen 30 und 60 dB (Dezibel).There are requirements for the optical isolation of the laser beam source between 30 and 60 dB (decibels).
Eine Einfügungsdämpfung DE ist als Verhältnis der Intensität IO des Lasers zur nutzbaren Intensität IN (nach Durchgang durch einen optischen Isolator) definiert zuInsertion loss D E is defined as the ratio of the intensity I O of the laser to the usable intensity I N (after passing through an optical isolator)
Als Gesamtdämpfung des Rückkopplungsvorganges ergibt sichThe total attenuation of the feedback process results
Zum Schutz vor Rückreflexionen des Lichts in die Laserstrahlquelle ist es bekannt, optische Isolatoren zu verwenden, die auf dem Effekt der Drehung von linear polarisiertem Licht durch ein Magnetfeld beru hen, wie dies von Faraday entdeckt wurde. Der einfallende Lichtstrahl durchläuft in diesem Fall einen Polarisator und wird linear polari siert. Anschließend dreht ein Faraday-Rotator durch ein Magnetfeld die Polarisationsebene um 45° im Uhrzeigersinn, so daß die Durchlaß richtung des folgenden Analysators erreicht wird. Das rückreflektier te Licht trifft auf den Analysator, wird in Durchlaßrichtung polari siert und anschließend durch den Faraday-Rotator wieder um 45° im Uhrzeigersinn gedreht. Das rückreflektierte Licht trifft somit auf den Polarisator mit einer zur Durchlaßrichtung um 90° gedrehten Pola risationsebene. Hierzu wird paramagnetisches Glas oder werden YIG-Kristalle (Yttrium-Iron-Garnet) verwendet, die eine große Verdet-Konstante haben. Auf diese Weise werden für einen Wellenlän genbereich von 515 nm bis 1550 nm und Aperturdurchmesser von 1 bis 4 mm werden optische Isolationen zwischen 30 und 60 dB erreicht. Die Einfügeverluste DE liegen zwischen 0,8 und 2,0 dB. Typische Baugrößen solcher optischer Isolatoren, die auf dem Effekt der Drehung der Po larisationsebene beruhen, liegen bei 50 mm Länge und Durchmessern von 40 mm.To protect against back reflections of the light in the laser beam source, it is known to use optical isolators which are based on the effect of the rotation of linearly polarized light by a magnetic field, as was discovered by Faraday. In this case, the incident light beam passes through a polarizer and is linearly polarized. Then a Faraday rotator rotates the polarization plane by 45 ° clockwise by a magnetic field, so that the transmission direction of the following analyzer is reached. The back-reflected light hits the analyzer, is polarized in the forward direction and then rotated again by the Faraday rotator by 45 ° clockwise. The back-reflected light thus strikes the polarizer with a polarization plane rotated through 90 ° to the transmission direction. For this purpose, paramagnetic glass or YIG crystals (yttrium iron garnet) are used, which have a large Verdet constant. In this way, optical isolations between 30 and 60 dB are achieved for a wavelength range of 515 nm to 1550 nm and aperture diameters of 1 to 4 mm. The insertion losses D E are between 0.8 and 2.0 dB. Typical sizes of such optical isolators, which are based on the effect of the rotation of the polarization plane, are 50 mm in length and 40 mm in diameter.
Bei Laserdioden, die in Fasern einkoppeln (pigtails), ist das vorer läuterte Faraday-Prinzip der optischen Isolation ebenfalls verwend bar. Die bekannten Bauelemente sind jedoch im Einsatz mit Laserdioden oftmals zu groß, zu schwer und zu teuer.This is the case with laser diodes that couple into fibers (pigtails) refined Faraday principle of optical isolation also used bar. However, the known components are used with laser diodes often too big, too heavy and too expensive.
Beim Einsatz von Halbleiterlasern in der Mikrooptik und in der Mikro systemtechnik werden optische Isolatoren benötigt, die den Spezifika dieser Anwendungen im Hinblick auf Miniaturisierung, optische Paral lelverarbeitung, Integrationsmöglichkeit und Massenproduktion Rech nung tragen. Die Miniaturisierung erfordert angepaßte, kostengünstige Lösungen, die hinsichtlich Gewicht und Volumen der Größenordnung von Mikro-Modulen entsprechen. Für verschiedene Anwendungen haben Laser einen Überschuß an Intensität, die durch den Laser (IO) oder die Emp fängerempfindlichkeit bestimmt sein kann und die teilweise verbraucht werden kann oder muß. Der einfallende Laserstrahl (Nutzstrahl) kann und soll daher einer vorgegebenen Einfügungsdämpfung (DE) unterlie gen, wobei Einfügedämpfungen von größer 3 db möglich sind. Für inte grierte Optiken sind optische Isolatoren erforderlich, die an die Be dingungen der Wellenleitung angepaßt sind. Überdies fordert die Mik rooptik für optische Parallelverarbeitung mit geschichteter planarer Optik Isolatoren, die an den Einsatz von Laserdioden-Zeilen angepaßt sind. Diesen Anforderungen wird mit herkömmlichen, auf dem Faraday-Effekt beruhenden oder die Polarisationseigenschaften von Kristallen ausnützenden Isolatoren nicht entsprochen.When using semiconductor lasers in micro-optics and in microsystem technology, optical isolators are required that take account of the specifics of these applications with regard to miniaturization, optical parallel processing, integration options and mass production. Miniaturization requires customized, cost-effective solutions that correspond to the size and size of micro-modules in terms of weight and volume. For various applications, lasers have an excess of intensity, which can be determined by the laser sensitivity catcher (I O) or the Emp and which can be partially consumed or must. The incident laser beam (useful beam) can and should therefore be subject to a predetermined insertion loss (D E ), insertion losses of greater than 3 db being possible. For integrated optics, optical isolators are required that are adapted to the conditions of the waveguide. In addition, the micro-optics for optical parallel processing with layered planar optics require isolators that are adapted to the use of laser diode rows. These requirements are not met with conventional insulators based on the Faraday effect or utilizing the polarization properties of crystals.
Aus der US-PS 44 90 021 ist ein Filterelement für einen kohärenten Lichtstrahl bekannt, wobei im Strahlengang ein diffraktives Gitter geneigt angeordnet ist, derart, daß der Einfallswinkel des Licht strahles im Bereich von 80 bis 90° liegt. Diese Lösung ist für Farb stofflaser vorgesehen, um eine hohe Auflösung bei geringen Reflexionsverlusten zu gewährleisten.From US-PS 44 90 021 is a filter element for a coherent Light beam known, with a diffractive grating in the beam path is inclined so that the angle of incidence of the light beam is in the range of 80 to 90 °. This solution is for color Fabric lasers provided high resolution at low To ensure reflection losses.
Aus der US-PS 46 51 315 ist eine optische Isolationsvorrichtung be kannt, die ein Endstück einer optischen Faser in einem Telekommunika tionssystem bildet. Hierbei sind zwei durch einen Filterspiegel ge trennte optische Medien vorgesehen, wobei eine Emitter-Faser-Verbindung in einem der Medien hergestellt wird, wäh rend die Aufspaltung und Zusammenführung durch die Empfänger in dem anderen optischen Medium erfolgt. Die vorgenannten Lösungen sind al lerdings nicht geeignet, das Problem einer möglichst geringen Rückre flexion von emittiertem Laserlicht in die Laserstrahlquelle oder in die Richtung desselben zu lösen.From US-PS 46 51 315 is an optical isolation device be knows the end of an optical fiber in a telecommunications tion system forms. Here are two ge through a filter mirror separated optical media provided, one Emitter-fiber connection is made in one of the media, while rend the splitting and merging by the recipients in the other optical medium. The above solutions are al but not suitable, the problem of the lowest possible return flexion of emitted laser light into the laser beam source or into to solve the direction of the same.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur op tischen Isolation einer Laserstrahlquelle gegen Rückreflexionen anzu geben, das einfach, kostengünstig und auf die Erfordernisse der spe zifischen geometrischen Bedingungen der Mikrooptik, der Mikrosystem technik und Wellenleitertechnik abgestimmt ist.The invention is therefore based on the object of a method for op to isolate a laser beam source against back reflections give that simple, inexpensive and to the needs of the spe specific geometric conditions of micro-optics, the microsystem technology and waveguide technology is coordinated.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen optischen Iso lator anzugeben, der eine hohe Rückkopplungsdämpfung gestattet, einen unkomplizierten und einen kostengünstigen Aufbau besitzt und an die speziellen geometrischen Bedingungen der Mikrooptik und Mikrosystem technik ebenso wie der Wellenleitertechnik anpaßbar ist.The invention is also based on the object of an optical iso lator, which allows a high feedback loss, a uncomplicated and inexpensive construction and to the special geometric conditions of micro-optics and microsystem technology as well as the waveguide technology is adaptable.
Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß der Laserstrahl durch Diffraktion einer Strahl- und Energieteilung unterworfen wird und im Anschluß an die Diffraktion das Energieniveau eines in Richtung der Laserstrahlquelle rückreflektierten Störstrahles geringer ist als das Energieniveau des Laserstrahles.The above object is fiction, regarding the method solved according to that the laser beam by diffraction of a Beam and energy sharing is subject and following the Diffraction is the energy level towards the laser beam source back-reflected interference beam is less than the energy level of the Laser beam.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die ebenso überraschende wie hinsichtlich ihrer Realisierung unkomplizierte Überlegung zugrunde, daß es zum Schutz der Laserstrahlquelle auch bei Anwendungsfällen, bei denen objektseitig die Gefahr einer 100%igen Rückreflexion des Laserstrahles in die Quelle besteht, möglich ist, unter Vermeidung aktiver Isolatorprinzipien in Anpassung an die integrierte Optik und die Bedingungen der Wellenleitung, den Laserstrahl einer diffraktiven Strahl- und Energieteilung für den einfallenden und den zurücklaufen den Strahl zu unterziehen, derart, daß die Intensität eines in die Laserstrahlquelle zurücklaufenden Störstrahles wesentlich geringer ist als die Intensität Io des emittierten Lichtstrahles oder die nutzbare Intensität IN.The inventive method is based on the surprising, as well as uncomplicated, implementation that it is possible to protect the laser beam source even in applications where there is a risk of 100% reflection of the laser beam back into the source, while avoiding active isolator principles in Adaptation to the integrated optics and the conditions of the waveguide to subject the laser beam to diffractive beam and energy sharing for the incident and returning the beam, such that the intensity of an interference beam returning to the laser beam source is substantially less than the intensity I o of emitted light beam or the usable intensity I N.
Dieses Verfahren hat den Vorteil leichter Anpaßbarkeit an die Quelle sowie unkomplizierter Realisierbarkeit durch eine weitere Vielfalt des Einsatzes diffraktiver optischer Elemente, deren optische Eigen schaften präzise auf die Eigenschaften des Laserstrahles einstellbar sind.This method has the advantage of being easily adaptable to the source as well as uncomplicated feasibility through a further variety the use of diffractive optical elements, their optical properties can be precisely adjusted to the properties of the laser beam are.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah rens wird der Laserstrahl auf ein diffraktives optisches Element ge führt, das für den von der Laserstrahlquelle kommenden, einfallenden Laserstrahl (Störstrahlrichtung) eine höhere Beugungsaktivität als für den in sich reflektierten, auf das diffraktive optische Element zurücklaufenden Strahl (Rückstrahlrichtung) aufweist.According to a preferred embodiment of the method according to the invention The laser beam is then applied to a diffractive optical element leads that for the incident coming from the laser beam source Laser beam (interference beam direction) a higher diffraction activity than for the reflected in itself, on the diffractive optical element returning beam (direction of reflection).
Nach einer bevorzugten Verfahrensführung wird in Abhängigkeit von der Wellenlänge und dem Einfallswinkel des von der Laserstrahlquelle kom menden, einfallenden Laserstrahles sowie in Abhängigkeit von einer charakteristischen Konstanten des diffraktiven optischen Elementes der einfallende Laserstrahl durch das diffraktive optische Element nur in die 0. Beugungsordnung und in die +1. Beugungsordnung unter Aus bildung eines Beugungswinkels zerlegt, durch den nach einer Reflexion der in sich selbst auf das diffraktive optische Element zurücklaufen de Strahl der +1. Beugungsordnung dieser in die 0. Beugungsordnung, die +1. Beugungsordnung und die -1. Beugungsordnung zerlegt wird.According to a preferred procedure, depending on the Wavelength and the angle of incidence of the com from the laser beam source emitting, incident laser beam and depending on one characteristic constants of the diffractive optical element the incident laser beam through the diffractive optical element only in the 0th diffraction order and in the +1. Diffraction order under Aus decomposed formation of a diffraction angle, through which after a reflection which in itself goes back to the diffractive optical element de ray of +1. Diffraction order this in the 0th diffraction order that +1. Diffraction order and the -1. Diffraction order is broken down.
Zur Erreichung kompakter optischer Isolation wird der Laserstrahl ab folgend vorzugsweise einer mehrfachen Diffraktion, vorzugsweise an zumindest einem Gitter unterzogen.The laser beam is turned off to achieve compact optical isolation preferably following a multiple diffraction, preferably on subjected to at least one grid.
Es wird ferner bevorzugt, daß neben der optischen Isolation durch Diffraktion des Laserstrahles dieser auch zugleich einer, vorzugswei se vergrößernden oder verkleinernden Strahlformung (Strahlaufweitung bzw. Strahleinengung) in einer Dimension unterzogen wird.It is further preferred that in addition to the optical isolation by Diffraction of the laser beam this also one, preferably two beam enlargement or reduction (beam expansion or beam constriction) in one dimension.
Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.Further preferred configurations of the method according to the invention are set out in the other subclaims.
Hinsichtlich eines optischen Isolators der eingangs genannten Art wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die ser zumindest eine diffraktive Gitteranordnung aufweist, die in Abhängigkeit von einer Wellenlänge und einem Einfallswinkel des Laserstrahles sowie einer Gitterkonstanten des Gitters eine höhere Beugungseffektivität für den emittierten Laserstrahl (Nutzstrahlrich tung) als für einen in sich reflektierten, auf das Gitter zurücklau fenden Strahl (Störstrahlrichtung) besitzt.With regard to an optical isolator of the type mentioned the aforementioned object is achieved in that the ser has at least one diffractive grating arrangement, which in Dependence on a wavelength and an angle of incidence of the Laser beam and a lattice constant of the grating a higher Diffraction effectiveness for the emitted laser beam tung) than for one reflected in itself, back to the grid own beam (interference beam direction).
Vorzugsweise weist der optische Isolator als Beugungsgitter zumindest ein Reflexions-Gitter und/oder ein Transmissions-Gitter auf, das ein lineares oder auch ein in mehreren Richtungen wirksames, ebenes Gitter (wie z. B. ein Kreuzgitter) sein kann.The optical isolator preferably has at least a diffraction grating a reflection grating and / or a transmission grating on the one linear or also effective in several directions, flat Grid (such as a cross grid) can be.
Vorzugsweise wird als diffraktives optisches Element zumindest ein Gitter verwendet, das als Oberflächenrelief ausgeführt ist, vorzugs weise ein tiefmoduliertes Phasengitter.At least one is preferably used as the diffractive optical element Grid used, which is designed as a surface relief, preferably a deeply modulated phase grating.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Isolators, der vorzugsweise durch ein Oberflächenrelief realisiert werden kann und in einfachster Form ein lineares Phasengitter ist, oder abbildende Eigenschaften aufweist und in Reflexion oder Trans mission arbeitet, beugt das Gitter den einfallenden Laserstrahl nur in eine 0. Beugungsordnung und eine +1. Beugungsordnung, unter Ausbil dung eines Beugungswinkels, durch den nach einer objektseitigen Reflexion der in sich selbst auf das Gitter zurücklaufende Strahl der +1. Beugungsordnung in die 0. Beugungsordnung, die +1. Beugungsordnung und die -1. Beugungsordnung zerlegbar ist.According to a preferred embodiment of the optical according to the invention Isolator, which is preferably realized by a surface relief can be and in its simplest form is a linear phase grating, or has imaging properties and in reflection or trans mission works, the grating only diffracts the incident laser beam into a 0th diffraction order and a +1. Diffraction order, under training of a diffraction angle, through which to an object-side Reflection of the beam of rays returning to itself on the grating +1. Diffraction order in the 0th diffraction order, the +1. Diffraction order and the -1. Diffraction order can be dismantled.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße opti sche Isolator zumindest zwei optische Elemente auf, von denen zumin dest eines diffraktives Gitter ist, wobei die Elemente prismenartig in Ebenen angeordnet sind, die unter einem Winkel zueinander verlau fen, derart, daß für jede Beugung an einem in der gleichen Ebene an geordneten optischen Element der ursprüngliche Einfalls- oder Beu gungswinkel reproduzierbar ist.In a preferred embodiment, the opti according to the invention cal isolator on at least two optical elements, of which at least least of a diffractive grating, the elements being prismatic are arranged in planes that are at an angle to each other fen, such that for each diffraction on one in the same plane ordered optical element of the original idea or Beu angle is reproducible.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des optischen Isolators nach der vorliegenden Erfindung bildet dieser ein Prisma, dessen unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufende Seitenflächen zumindest ein ebenes Reflexions-Gitter sowie einen Spiegel und/oder ein weite res, ebenes Reflexions-Gitter tragen.According to an advantageous embodiment of the optical isolator In the present invention, this forms a prism, the under at least at an acute angle to each other a flat reflection grating and a mirror and / or a wide one Wear a flat reflection grating.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform, die mit Vorteil für die optische Isolation einer Mehrzahl paralleler Laserstrahlen geeig net ist, weist der optische Isolator ein Prisma mit zwei diffraktiven Gittern und einer Spiegelfläche auf, wobei dieser optische Isolator auch die Möglichkeit einer Vertauschung der Reihenfolge der verschie denen Laserstrahlenbündel besitzt. In a further preferred embodiment, which is advantageous for the optical isolation of a plurality of parallel laser beams is suitable net, the optical isolator has a prism with two diffractive Gratings and a mirror surface, this optical isolator also the possibility of swapping the order of the different which have laser beams.
Für den Fall der Beibehaltung einer vorgegebenen Richtung des Laser strahles, gegebenenfalls unter paralleler Strahlversetzung, weist der optische Isolator nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein Prisma mit einem Transmissions-Gitter und einem Reflexions-Gitter auf einer Strahleintrittsseite, einem Reflexions-Gitter auf einer weiteren Seite und einem Transmissions-Gitter auf einer Strahlaustrittsseite des Prismas auf.In the case of maintaining a given direction of the laser beam, possibly with parallel beam displacement, the optical isolator according to a further advantageous embodiment the invention a prism with a transmission grating and a Reflection grating on one beam entry side, one Reflection grating on one side and one Transmission grating on a beam exit side of the prism.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Isolators weist dieser ein Prisma mit einem abbildenden diffraktiven optischen Element (DOE), vorzugsweise einem holografisch optischen Element (HOE), zur Einstrahlung des Laserlichtbündels, z. B. von einer Laserdiode, auf, in Verbindung mit zwei Reflexions-Gittern an den in einem spitzen Winkel zueinander verlaufenden Seiten des Prismas, das nach Strahlaufweitung des parallelen Bündels in einer Dimension an seiner Strahlaustrittsseite ein Transmissions-Gitter aufweist.According to a further embodiment of the optical Isolator has a prism with an imaging diffractive optical element (DOE), preferably a holographic optical Element (HOE), for irradiating the laser light beam, e.g. B. from one Laser diode, on, in conjunction with two reflection gratings on the in an acute angle to the sides of the prism, the after beam expansion of the parallel bundle in one dimension has a transmission grating on its beam exit side.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ferner ein diffraktives Gitter in vertikaler Anordnung in Verbindung mit einem Schichtwellenleiter vorgesehen, wobei die Gitterstruktur (Oberflä chenrelief) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung von in dem Schichtwel lenleiter geführten Moden angeordnet ist und diese Gitterstruktur in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Laserlichtes, dem Einfallswinkel und den Gitterparametern ebenfalls eine höhere Beugungseffektivität für den emittierten Laserstrahl gegenüber einem in sich reflektier ten, auf das Gitter zurücklaufenden Strahl aufweist.According to a further embodiment of the invention, a diffractive grid in a vertical arrangement in connection with a Layer waveguide provided, the grating structure (surface Chenrelief) perpendicular to the direction of propagation in the layered world len-guided modes is arranged and this lattice structure in Dependence on the wavelength of the laser light, the angle of incidence and the grating parameters also have a higher diffraction efficiency for the emitted laser beam compared to a reflective one th beam returning to the grid.
Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Isolators sind in den übrigen Unteransprüchen dargestellt.Further, preferred configurations of the optical device according to the invention Isolators are presented in the remaining subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:The invention is described below using exemplary embodiments and associated drawings explained in more detail. In these show:
Fig. 1 einen optischen Isolator als Transmissions-Gitter nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 1a einen Strahlenverlauf bis zu einer objektseitigen Reflexion und Fig. 1b einen Strahlenverlauf des zurückreflektierten Strahles zeigt. Fig. 1 shows an optical isolator as a transmission grating according to a first embodiment of the invention, Fig. 1a shows a beam path up to an object-side reflection and Fig. 1b shows a beam path of the back-reflected beam.
Fig. 2 einen optischen Isolator als Reflexions-Gitter nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 2a einen Strahlenverlauf für den emittierten Laserstrahl (vor einer objektseitigen Reflexion) und Fig. 2b den Strahlenver lauf des zurückreflektierten Strahles (nach einer objektsei tigen Reflexion) zeigt. Fig. 2 shows an optical isolator as a reflection grating according to a second embodiment of the invention, Fig. 2a shows a beam path for the emitted laser beam (before an object-side reflection) and Fig. 2b the radiation course of the reflected beam (after an object-side reflection) shows.
Fig. 3 ein Diagramm einer Gesamtdämpfung (DE) und einer Rückkopp lungsdämpfung (DR) als Funktion der Anzahl der Beugungen für ein diffraktives Gitter für verschiedene Transmissions- oder Reflexionsfaktoren, Fig. 3 is a diagram of an overall attenuation (D E) and a rear coupler lung damping (D R) as a function of the number of bendings for a diffractive grating for different transmission or reflection factors,
Fig. 4 eine Darstellung eines relativen Verlaufes der nutzbaren Intensität des Laserstrahles in Transmission oder Reflexion als Funktion der Zahl der Beugungen bei diffraktiven Gittern für Fälle A1, B1 und B2 nach Fig. 3, Fig. 4 is an illustration of a relative path of the usable intensity of the laser beam in transmission or reflection as a function of the number of inflections in diffractive gratings for cases A1, B1, and B2 of Fig. 3,
Fig. 5 einen optischen Isolator als Prisma mit zwei Reflexions-Gittern nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erläuterung der Reproduktion der Einstrahlungsverhältnisse für jedes Gitter, Fig. 5 is an optical isolator as a prism having two reflection gratings according to a further embodiment of the invention for explaining the reproduction of the irradiation conditions for each grating,
Fig. 6 einen optischen Isolator als Prisma, einem Spiegel und einem ebenen Phasenrelief-Gitter nach einem weiteren Ausführungs beispiel der Erfindung, Fig. 6 shows an optical isolator as a prism, a mirror and a planar relief phase grating according to a further example of execution of the invention,
Fig. 7 einen optischen Isolator mit einem Prisma ähnlich der Ausfüh rungsform nach Fig. 6, jedoch mit zwei Phasenrelief-Gittern nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 7 an optical isolator with a prism similar to exporting approximate shape shown in FIG. 6, but with two phase relief gratings according to a further embodiment of the invention,
Fig. 8 einen optischen Isolator mit einem Prisma, zwei Gittern und eine Spiegelfläche, insbesondere für eine Mehrzahl paralleler Lichtstrahlen nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 8 is an optical isolator with a prism, two grids, and a mirror surface, particularly for a plurality of parallel light beams according to a further embodiment of the invention,
Fig. 9 einen optischen Isolator mit einem Prisma, zwei Reflexions- Gittern und zwei Transmissions-Gittern zur Strahlein- und -auskopplung unter Beibehaltung der vorgegebenen Einstrah lungsrichtung, Fig. 9 lung direction an optical isolator with a prism, two reflection gratings and two transmission gratings for Strahlein- -auskopplung and while maintaining the predetermined Einstrah,
Fig. 10 einen optischen Isolator mit einem Prisma und gleichzeitiger Strahlformung in einer Dimension (Strahlaufweitung) nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 10 an optical isolator with a prism and simultaneous beamforming in one dimension (beam expansion) according to another embodiment of the invention,
Fig. 11 einen optischen Isolator mit einem Prisma und gleichzeitiger Strahlformung in einer Dimension (Strahlverkleinerung) nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 11 an optical isolator with a prism and simultaneous beamforming in one dimension (beam reduction) according to another embodiment of the invention,
Fig. 12 einen optischen Isolator mit einer Mehrzahl von Trans missions-Gittern nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 12 is an optical isolator having a plurality of trans missions gratings according to a further embodiment of the invention,
Fig. 13 einen optischen Isolator mit einem aus zwei Prismen bestehen den Doppelprisma, zwei Spiegeln und einem Transmissions- Gitter nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 13 an optical isolator with a consist of two prisms of the double prism, two mirrors and a transmission grating according to a further embodiment of the invention,
Fig. 14 einen optischen Isolator als Kreuzgitter nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 14 an optical isolator as a cross grating according to a further embodiment of the invention, and
Fig. 15a einen optischen Isolator in Verbindung mit einem Schicht wellenleiter nach einer weiteren Ausführungsform der Erfin dung, FIG. 15a an optical isolator in conjunction with a film waveguide according to another embodiment of the OF INVENTION dung,
Fig. 15b eine Einzelheit 1 nach Fig. 15a, Fig. 15b shows a detail 1 of FIG. 15a,
Fig. 15c die Einzelheit nach Fig. 15b in perspektivischer Darstellung. Fig. 15c shows the detail of Fig. 15b in perspective.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des optischen Isolators 1 wird nach stehend anhand der grundsätzlichen Anordnungen nach Fig. 1 und 2 unter Einschluß der zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge erläutert.A first embodiment of the optical isolator 1 is explained in the following with reference to the basic arrangements according to FIGS. 1 and 2, including the underlying physical relationships.
Fig. 1 zeigt den optischen Isolator 1, der hier aus einer lichtdurch lässigen Platte 2 besteht, an deren Oberseite ein diffraktives Gitter 3, das in diesem Fall zur Beugung eines einfallenden Laserlicht strahles Se als Transmissions-Gitter 4 ausgelegt ist, aufgebracht ist. Fig. 1 shows the optical isolator 1 , which here consists of a translucent plate 2 , on the top of which a diffractive grating 3 , which is designed in this case for diffraction of an incident laser light beam Se as a transmission grating 4 , is applied.
Während Fig. 1a den Fall der Einstrahlung des von einer, hier nicht gezeigten Laserstrahlquelle emittierten einfallenden Laserstrahles Se zeigt, ist in Fig. 1b der umgekehrte Strahlengang nach Reflexion des aus dem optischen Isolator 1 austretenden, gebeugten Lichtstrahles Sa an einem Objekt 5 dargestellt.While FIG. 1 a shows the incident radiation of the incident laser beam Se emitted by a laser beam source (not shown here), FIG. 1 b shows the reverse beam path after reflection of the diffracted light beam Sa emerging from the optical isolator 1 on an object 5 .
Zur optischen Isolation wird bei einem solchen optischen Isolator 1 die Eigenschaft des Gitters 3 genutzt, unter Anpassung der Gitterkon stanten g an die Lichtwellenlänge λ, Beugungsordnungen, insbesondere höhere Beugungsordnungen in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α des einfallenden Laserstrahles Se zu unterdrücken. Überdies ist eine unterschiedliche Beugungseffektivität bei unterschiedlichen Einfalls winkeln α gegeben.For optical isolation, the property of the grating 3 is used in such an optical isolator 1 , by adapting the grating constants g to the light wavelength λ to suppress diffraction orders, in particular higher diffraction orders depending on the angle of incidence α of the incident laser beam Se. In addition, there is a different diffraction efficiency at different angles of incidence α.
Im einfachsten Fall ist das Gitter 3 ein lineares Phasengitter, das zum Beispiel durch ein Oberflächenrelief realisiert werden oder das abbildende Eigenschaften aufweisen kann.In the simplest case, the grating 3 is a linear phase grating that can be realized, for example, by means of a surface relief or that can have imaging properties.
Das Gitter 3 kann, wie in den Fig. 1a und 1b für Transmission oder, wie in Fig. 2a und Fig. 2b gezeigt, für Reflexion ausgelegt werden.The grating 3, as shown in FIGS. 1a and 1b for transmission or as shown in Fig. 2a and Fig. 2b, are designed for reflection.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden unter dem Begriff dif fraktives Gitter oder diffraktives optisches Element Diffraktionsele mente bzw. -gitter beider Art verstanden, d. h. Beugungsgitter, die entweder für Reflexion oder Transmission ausgelegt sind.In the context of the present application, the term dif fractive grating or diffractive optical element diffraction elements understood elements or grids of both types, d. H. Diffraction gratings, the are designed for either reflection or transmission.
Durch Abstimmung der Gitterkonstanten g des Transmissions-Gitters 4 in Fig. 1a auf die Lichtwellenlänge λ des einfallenden Lichtstrahles Se sowie des Einfallswinkels α wird erreicht, daß der einfallende Lichtstrahl Se nur in die 0. und +1. Beugungsordnung zerlegt wird und höhere Beugungsordnungen nicht auftreten.By tuning the grating constant g of the transmission grating 4 in FIG. 1a to the light wavelength λ of the incident light beam Se and the angle of incidence α, it is achieved that the incident light beam Se only in the 0th and 1st. Diffraction order is broken down and higher diffraction orders do not occur.
Dabei ergibt sich der Beugungswinkel βe derart, daß bei Rückreflexion an dem Objekt 5 und Auftreten eines Rückreflexionsstrahles Sr, der unter dem Einfallswinkel αr (= Beugungswinkel βe) auf das Trans missions-Gitter 4 rückreflektiert wird, dieser rückreflektierte Lichtstrahl Sr in die 0. und -1. Ordnung sowie zusätzlich in die +1. Ordnung zerlegt wird, wobei lediglich der Strahlteil der +1. Ordnung in Richtung der Laserstrahlquelle als Störstrahl Ss reflektiert wird. Im übrigen aber wird die Energie in drei Strahlenbündel aufgeteilt, so daß der in Richtung der Laserquelle gehende Anteil um den Betrag der Intensität der 0. und -1. Ordnung geschwächt wird, so daß sich eine unterschiedliche Energiebilanz für die Einstrahlungsrichtung und für die Rückreflexionsrichtung und damit eine entsprechende optische Isolation der Laserstrahlquelle ergibt.This results in the diffraction angle β e such that when back reflection on the object 5 and the occurrence of a back reflection beam Sr, which is reflected back at the angle of incidence α r (= diffraction angle β e ) onto the transmission grating 4 , this back-reflected light beam Sr enters the 0. and -1. Order as well as in the +1. Order is broken down, whereby only the beam part of the +1. Order is reflected in the direction of the laser beam source as an interference beam Ss. For the rest, however, the energy is divided into three beams, so that the portion going in the direction of the laser source is increased by the amount of the intensity of the 0th and -1st Order is weakened, so that there is a different energy balance for the direction of radiation and for the back reflection direction and thus a corresponding optical isolation of the laser beam source.
Der Zusammenhang der Winkel für Transmission (Fig. 1) ist durch die Gittergleichung gegeben:The relationship of the angles for transmission ( Fig. 1) is given by the lattice equation:
Für Reflexion (Fig. 2) unterscheidet sich die Gittergleichung nur durch ein Vorzeichen.For reflection ( Fig. 2), the grating equation differs only by a sign.
In der Gittergleichung (4) bezeichnet λ die Wellenlänge, k die Beu gungsordnung, α den Einfallswinkel und β den Beugungswinkel in Trans mission.In the grating equation ( 4 ) λ denotes the wavelength, k the diffraction order, α the angle of incidence and β the diffraction angle in transmission.
Das Transmissionsgitter 4 ist in der einfachsten Form ein lineares Phasengitter, das durch ein Oberflächenrelief realisiert wird. Für bestimmte Anwendungsfälle kann gegebenenfalls das Gitter abbildende Eigenschaften aufweisen.In its simplest form, the transmission grating 4 is a linear phase grating, which is realized by means of a surface relief. For certain applications, the grid may have imaging properties.
Die Einstellung der Beugungseffektivität des Transmissions-Gitters 4 für den Einfallswinkel α erfolgt bei Ausbildung des Transmissions- Gitters als Oberflächenrelief mit entsprechender Wahl der Verhält nisse der Lichtwellenlänge λ zur Furchentiefe des Oberflächenreliefs h (Modulationstiefe) und zur Gitterkonstante g. Derjenige Ein fallswinkel α, der nur eine Beugungsordnung hat, wird durch folgende Bedingung bestimmt:The setting of the diffraction effectiveness of the transmission grating 4 for the angle of incidence α takes place when the transmission grating is designed as a surface relief with a corresponding choice of the ratios of the light wavelength λ to the groove depth of the surface relief h (modulation depth) and to the grating constant g. The angle of incidence α which has only one diffraction order is determined by the following condition:
Der Zusammenhang zwischen Einfalls- und Beugungswinkel α, β (hier αE, βE) ist durch die vorgenannte Gittergleichung gegeben.The relationship between the angle of incidence and the angle of diffraction α, β (here α E , β E ) is given by the aforementioned grid equation.
Der in Fig. 1a aus dem Transmissions-Gitter 4 austretende, gebeugte Lichtstrahl Sa (Nutzstrahlrichtung) wird um den Betrag der Intensität in der 0. Beugungsordnung geschwächt. Das als Störstrahl Ss von dem Transmissions-Gitter in Richtung der Laserstrahlquelle gebeugte Licht der +1. Beugungsordnung ist um den Betrag der Intensitäten in Rich tung der 0. Beugungsordnung und der -1. Beugungsordnung geschwächt.The diffracted light beam Sa (useful beam direction) emerging from the transmission grating 4 in FIG. 1a is weakened by the amount of intensity in the 0th diffraction order. The +1 light diffracted as an interference beam Ss by the transmission grating in the direction of the laser beam source. Diffraction order is by the amount of the intensities in the direction of the 0th diffraction order and the -1. Diffraction order weakened.
Die Beugungseffektivität des Gitters 3 ist außerdem eine Funktion des Einfallswinkels α des Laserstrahles Se und liefert für den Einfalls winkel α = αe = βr und für den Rückreflexions-Einfallswinkel des rückreflektierten Strahles Sr (Fig. 1b) α = αr = βe unterschiedliche Werte der Transmission, d. h. es ergeben sich, auch wenn die -1. Beu gungsordnung nicht auftritt, unterschiedliche Transmissionsfaktoren Wa und Wb für unterschiedliche Einfallswinkel α. Der Transmissions faktor bzw. Reflexionsfaktor (Ausführungsform nach Fig. 2) des ein fallenden Lichtstrahles Se ist mit Wa bezeichnet, Wb bezeichnet den Transmissionsfaktor bzw. Reflexionsfaktor (Fig. 2) des rückreflek tierten Lichtstrahles Sr Die nutzbare Intensität (IN) kann im ungün stigsten Fall vollständig in Isolationsrichtung auf die Laserstrahl quelle reflektiert werden. Für den in Richtung der Laserstrahlquelle, d. h. in Einfallsrichtung zurückgebeugten Störstrahl Ss (βr = αe) gilt dann als Intensitätsfaktor ein Transmissions- bzw. Reflexionsfaktor:The diffraction effectiveness of the grating 3 is also a function of the angle of incidence α of the laser beam S e and provides the angle of incidence α = α e = β r and the angle of incidence of the back-reflected beam Sr ( FIG. 1b) α = α r = β e different values of the transmission, ie there are, even if the -1. Diffraction order does not occur, different transmission factors W a and W b for different angles of incidence α. The transmission factor or reflection factor (embodiment according to FIG. 2) of the incident light beam Se is designated W a , W b denotes the transmission factor or reflection factor ( FIG. 2) of the back-reflected light beam S r. The usable intensity (I N ) can in the worst case be completely reflected in the direction of isolation on the laser beam source. For the interference beam Ss (β r = α e ) which is deflected back in the direction of the laser beam source, ie in the direction of incidence, a transmission or reflection factor then applies as the intensity factor:
für den Anteil, der in Einfallsrichtung zurückgebeugten +1. Ordnung.for the proportion of +1 bent back in the direction of incidence. Order.
Aus diesen Zusammenhängen ergeben sich mit den eingangs genannten Beziehungen (1) bis (3) zur Rückkopplungsdämpfung DR, Einfügungs dämpfung DE und Gesamtdämpfung DG (DG = DR + DE) die Dämpfungsgrößen. Die isolierende Wirkung des optischen Isolators 1 wird von Wb, d. h. vom Transmissions- bzw. Reflexionsfaktor des Störstrahles Ss mit der Intensität Wb bestimmt.From these relationships, the above-mentioned relationships (1) to (3) for feedback loss D R , insertion loss D E and total loss D G (D G = D R + D E ) result in the damping quantities. The insulating effect of the optical isolator 1 is determined by W b , ie by the transmission or reflection factor of the interference beam Ss with the intensity W b .
Da die Beugungseffektivität des Gitters 3 für die beiden Faktoren Wa und Wb jeweils nur in der gleichen Größenordnung veränderbar ist, empfiehlt es sich, das vorerläuterte Isolationsprinzip mehrfach anzu wenden. Für das Prinzip von N-fach hintereinandergeschalteten dif fraktiven optischen Isolatoren gilt:Since the diffraction effectiveness of the grating 3 can only be changed in the same order of magnitude for the two factors W a and W b , it is advisable to apply the previously explained isolation principle several times. The following applies to the principle of diffractive optical isolators connected in series:
Die Wirksamkeit der optischen Isolation wird insgesamt von den Transmissions- bzw. Reflexionsfaktoren Wak und Wbk für k = N bestimmt, d. h. vom Verlauf der Beugungseffektivität als Funktion des Einfallswinkels α. Dabei bestimmt Wak die nach k Transmissionen oder Reflexionen nutzbare Intensität und Wbk die nach k Transmissionen oder Reflexionen zurückgekoppelte Intensität. Die günstigste Variante wird durch Optimierung des Effizienzverlaufes erreicht. Dabei wirken die Profilformen sowie die Verhältnisse der Wellenlänge λ zur Modu lationstiefe h und zur Gitterkonstante g zusammen. Dieser Zusammen hang ist im Falle der Ausbildung des Gitters 3 als Oberflächenrelief nicht trivial, da hier eine analytische Lösung der Wellengleichung erforderlich wäre. Zwar sind numerische Lösungen unter verschiedenen Randbedingungen bekannt, jedoch sehr aufwendig und im allgemeinen nicht verfügbar. Aus experimentellen Untersuchungen können realisti sche Werte Wak und Wbk für eine Wellenlänge von λ = 0,633 nm gewonnen werden, so daß mit den vorgenannten Beziehungen die Gesamtdämpfung DG und die Einfügedämpfung DR berechnet werden kann. Entsprechende Dia gramme sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt.The overall effectiveness of the optical isolation is determined by the transmission or reflection factors W ak and W bk for k = N, ie by the course of the diffraction effectiveness as a function of the angle of incidence α. W ak determines the usable intensity after k transmissions or reflections and W bk determines the intensity fed back after k transmissions or reflections. The cheapest option is achieved by optimizing the efficiency curve. The profile shapes and the ratios of the wavelength λ to the modulation depth h and the grating constant g interact. This relationship is not trivial in the case of the formation of the grating 3 as a surface relief, since an analytical solution of the wave equation would be required here. Numerical solutions are known under various boundary conditions, but they are very complex and generally not available. Realistic values W ak and W bk for a wavelength of λ = 0.633 nm can be obtained from experimental investigations, so that the total attenuation D G and the insertion loss D R can be calculated with the aforementioned relationships. Corresponding slide programs are shown in FIGS. 3 and 4.
Fig. 3 stellt den Verlauf der Gesamtdämpfung DG und der Rückkopp lungsdämpfung DR als Funktion der Zahl der Beugungen bei einem dif fraktiven optischen Isolator für verschiedene Transmissions- oder Reflexionsfaktoren dar. Für die Fälle A1, B1 und B2 sind die Gesamt dämpfungen DG bzw. die Einfügedämpfung DE über der Anzahl der Beugun gen (Transmissionen und/oder Reflexionen) N durch das diffraktive optische Element bzw. Gitter 3 aufgetragen. Fig. 3 shows the course of the total attenuation D G and the feedback attenuation D R as a function of the number of diffractions in a diffractive optical isolator for various transmission or reflection factors. For the cases A1, B1 and B2, the total attenuations are D G or the insertion loss D E plotted against the number of diffractions (transmissions and / or reflections) N through the diffractive optical element or grating 3 .
Fig. 4 stellt den relativen Verlauf der Nutzintensität IN in Trans mission oder Reflexion als Funktion der Zahl der Beugungen bei dif fraktiven optischen Isolatoren nach den Fällen A1, B1 und B2 dar. Fig. 4 shows the relative course of the useful intensity I N in Trans mission or reflection as a function of the number of diffractions in diff fractive optical isolators according to the cases A1, B1 and B2.
Für den Effizienzverlauf gilt mit den experimentell ermittelten Zusammenhängen gemäß Fig. 3 und 4 zum Beispiel für ein tief modulier tes SIN-Gitter:With the experimentally determined relationships according to FIGS. 3 and 4, the following applies to the efficiency curve, for example for a deeply modulated SIN grating:
h/g = 1,0, g = 0,75 µm, λ = 0,633 µm, αe = -42°, βe = 10,07°, Wak = 0,65 und Wbk = 0,20.h / g = 1.0, g = 0.75 µm, λ = 0.633 µm, α e = -42 °, β e = 10.07 °, W ak = 0.65 and W bk = 0.20.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 verdeutlicht die Ausführung des Beugungsgitters 3 als Reflexions-Gitter 6, wobei Fig. 2a das Strah lenbild für die Einstrahlung und Fig. 2b das Strahlenbild für die Rückreflexion darstellt. Die Bezeichnungen folgen im übrigen denen des ersten Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1. Auch in diesem Fall sind Wellenlänge λ, Gitterkonstante g und Einfallswinkel αe des ein fallenden Laserstrahles Se so gewählt, daß die Beugung des einfallen den Laserstrahles Se in Reflexion mit dem Reflexionsfaktor Wa ledig lich in die 0. Beugungsordnung und die +1. Beugungsordnung erfolgt. Der Beugungswinkel der ersten Ordnung ist wiederum mit βe bezeichnet. Nach objektseitiger Reflexion trifft der rückreflektierte Rückstrahl Sr unter dem Einfallswinkel αr (= Beugungswinkel βe) auf das Reflexions-Gitter 6 und wird mit dem Reflexionsfaktor Wb in drei Strahlenbündel der 0. Beugungsordnung, der -1. Beugungsordnung und der +1. Beugungsordnung zerlegt, wobei lediglich das Licht der +1. Beugungsordnung in Einfallsrichtung wieder als Störstrahl zu der Laserstrahlquelle geführt wird, so daß die Intensität der Rückkopp lung IR wesentlich geringer ist als die Intensität des Lasers Io oder die nutzbare Intensität IN des Laserstrahles Sa der 1. Beugungsordnung in Nutzstrahlrichtung (Fig. 2a). Auch hier ergibt sich somit eine unterschiedliche Energiebilanz des einfallenden Laserlichtes Se sowie des austretenden Laserstrahles 1. Beugungsordnung Sa in Nutzstrahl richtung gegenüber dem Störstrahl Ss in Richtung der Laserstrahl quelle.The embodiment of FIG. 2 illustrates the design of the diffraction grating 3 as a reflection grating 6 , with FIG. 2a showing the radiation pattern for the irradiation and FIG. 2b the radiation pattern for the back reflection. The designations otherwise follow those of the first exemplary embodiment according to FIG. 1. Also in this case wavelength λ, grating constant g and angle of incidence α e of the incident laser beam Se are chosen such that the diffraction of the incident laser beam Se in reflection with the reflection factor W a only in the 0th diffraction order and the +1. Diffraction order takes place. The first order diffraction angle is again designated β e . After reflection on the object side, the retroreflected return beam Sr strikes the reflection grating 6 at the angle of incidence α r (= diffraction angle β e ) and is reflected with the reflection factor W b in three beams of the 0th diffraction order, the -1. Diffraction order and the +1. Diffraction order decomposed, only the light of +1. Diffraction order in the direction of incidence is again conducted as an interference beam to the laser beam source, so that the intensity of the feedback I R is significantly less than the intensity of the laser I o or the usable intensity I N of the laser beam Sa of the 1st diffraction order in the direction of the useful beam ( Fig ). This also results in a different energy balance of the incident laser light Se and the emerging laser beam 1. Diffraction order Sa in the direction of the useful beam compared to the interference beam Ss in the direction of the laser beam source.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Isolators 1 ist in Fig. 5 dargestellt, wobei zugleich die optischen Verhältnisse erläu tert werden, die dazu führen, daß an jedem Gitter 3 die ursprüng lichen Einstrahlungsverhältnisse reproduziert werden.Another embodiment of an optical isolator 1 is shown in Fig. 5, wherein at the same time the optical conditions are explained which lead to the fact that the original radiation conditions are reproduced on each grating 3 .
Auch dieses Ausführungsbeispiel betrifft eine Applikation des Laser lichtes im Freiraum, d. h. von ungeführtem Laserlicht (z. B. auch in Luft oder transparenten Medien), während ein Ausführungsbeispiel für die Applikation im Wellenleiterbereich mit geführtem Licht weiter unten anhand von Fig. 14 erläutert ist. Generell kann bei den hier erläuterte Ausführungsbeispielen die Nutzung der optischen Isolatoren 1 auch gleichzeitig durch eine Mehrzahl paralleler Lichtbündel erfol gen.This exemplary embodiment also relates to an application of the laser light in free space, ie of unguided laser light (for example also in air or transparent media), while an exemplary embodiment for the application in the waveguide region with guided light is explained below with reference to FIG. 14. In general, in the exemplary embodiments explained here, the use of the optical isolators 1 can also be carried out simultaneously by a plurality of parallel light beams.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß für das gewünschte Maß an optischer Isolation eine mehrfache Diffraktion in Reflexion oder Transmission an einem diffraktiven optischen Element wünschenswert ist. Um eine Mehrfachbeugung in Reflexion zu realisieren, müssen die Flächen, die die diffraktiven optischen Elemente, hier Reflexions- Gitter 6, tragen, unter einem Winkel ω so zueinander orientiert sein, daß sich für jedes Beugungsgitter, hier Reflexions-Gitter 6 die ursprünglichen Einstrahlungsverhältnisse reproduzieren.It has already been pointed out that multiple diffraction in reflection or transmission on a diffractive optical element is desirable for the desired degree of optical isolation. In order to realize multiple diffraction in reflection, the surfaces that carry the diffractive optical elements, here reflection grating 6 , must be oriented at an angle ω to one another such that the original irradiation conditions are reproduced for each diffraction grating, here reflection grating 6 .
In Fig. 5 ist der optische Isolator 1 als Prisma 7 ausgeführt, dessen Seitenflächen 8 und 9, die unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufen, jeweils mit einem Reflexions-Gitter 6 versehen sind, wobei eine Einstrahlung eines Laserstrahles Se außerhalb des zugehörigen Gitters 6 erfolgt. Für den Zusammenhang für die k. und k+1. Beugung in Reflexion gilt:In Fig. 5, the optical isolator 1 is configured as a prism 7, the side surfaces 8 and 9 which extend at an acute angle to each other, provided with a reflection grating 6, respectively, wherein an irradiation is carried out a laser beam Se outside the associated grid 6 . For the context for the k. and k + 1. Diffraction in reflection applies:
l = αek + βrk+1 und αek - βek = αek+1 - βek+1 k = 1,2l = αe k + βr k + 1 and αe k - βe k = αe k + 1 - βe k + 1 k = 1.2
wobei αek die Einfallswinkel und βek die Beugungswinkel in Nutz strahlrichtung darstellen, während mit αrk die Einfallswinkel des rückreflektierten Strahles Sr und mit βrk die Beugungswinkel des Störstrahles Ss in Richtung der Laserstrahlquelle (Störstrahlrich tung) bezeichnet sind.where α ek are the angles of incidence and β ek are the diffraction angles in the useful beam direction, while α rk are the angles of incidence of the back-reflected beam Sr and β rk are the diffraction angles of the interference beam Ss in the direction of the laser beam source (interference beam direction).
Die Reflexions-Gitter 6 können unter dem Winkel auch auf entspre chend angeordneten Platten, insbesondere Glasplatten angeordnet sein oder auch freitragend im Raum bzw. in einem Festkörper integriert angeordnet sein, wie dies zum Beispiel für einen Schichtwellenleiter gilt (für gleiche Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 14) oder im Hin blick auf Transmissions-Gitter in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 dargestellt ist.The reflection grating 6 can also be arranged at the angle on appropriately arranged plates, in particular glass plates, or can also be arranged in a cantilevered manner in the room or integrated in a solid, as is the case, for example, for a layer waveguide (for the same exemplary embodiments according to FIG. 14 ) or in view of the transmission grating in the exemplary embodiment according to FIG. 11 is shown.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Isolators 1 ist in Fig. 6 dargestellt. Hierbei ist der optische Isolator 1 ebenfalls in Gestalt eines Prismas 7 ausgebildet, das zwei unter einem spitzen Winkel angeordnete Seitenflächen 8, 9 besitzt. Die erste Fläche 8 ist teilweise mit einem Spiegel 10 versehen, während die zweite Sei tenfläche 9 überwiegend mit einem ebenen Phasenrelief-Reflexions gitter 6 versehen ist. Im Bereich des Spiegels 10 finden fünf Reflexionen eines einfallenden, außerhalb des Reflexions-Gitters 6 eingestrahlten Laserlichtstrahles Se statt, während an dem Reflexions-Gitter 6 fünf Beugungen in Reflexion erfolgen (N = 5). Der einfallende Lichtstrahl Se tritt an einem spitzenseitigen, unbe schichteten Flächenabschnitt der Seitenfläche 8 in das Prisma 7 ein und wird am Spiegel 10 an der ersten Seitenfläche 8 reflektiert, gelangt dann unter den konstanten Einfallswinkel αek auf das Reflexions-Gitter 6 und wird zum Spiegel 10 gebeugt. Dies wiederholt sich, bis das Licht an einem nicht-verspiegelten, von der Spitze des Prismas 7 abgewandten Teilstück der ersten Seitenfläche 8 als ausfal lender Lichtstrahl Sa aus dem Prisma 7 austritt. Aus dem im Hinblick auf die Ausführungsform nach Fig. 5 erläuterten ZusammenhangAnother embodiment of an optical isolator 1 is shown in FIG. 6. Here, the optical isolator 1 is also designed in the form of a prism 7 , which has two side surfaces 8 , 9 arranged at an acute angle. The first surface 8 is partially provided with a mirror 10 , while the second Be tenfläche 9 is mainly provided with a flat phase relief reflection grating 6 . In the area of the mirror 10 , five reflections of an incident laser light beam Se radiated in outside the reflection grating 6 take place, while five diffractions in reflection take place at the reflection grating 6 (N = 5). The incident light beam Se enters the prism 7 at a tip-side, uncoated surface section of the side surface 8 and is reflected on the mirror 10 on the first side surface 8 , then arrives at the constant angle of incidence α ek on the reflection grating 6 and becomes a mirror 10 bent. This is repeated until the light emerges from the prism 7 as a failed light beam Sa on a non-mirrored section of the first side surface 8 facing away from the tip of the prism 7 . From the context explained with regard to the embodiment according to FIG. 5
αek - βek = αek+1 - βek+1 = const.α ek - β ek = α ek + 1 - β ek + 1 = const.
ergibt sich für ein Gitter 3 und einen Spiegel 10 results for a grating 3 and a mirror 10
2αsk = αk - βk,2α sk = α k - β k ,
wobei αsk den Reflexionswinkel am k-ten Spiegel bezeichnet. Der kon stante Einfallswinkel αk ergibt sich aus 2αrk = αek - βrk. Der Zusam menhang des Einfallswinkel αek mit dem Prismenwinkel ω ist für diesen Fall, in dem αek = βrk gilt, durch ω = 2αk gegeben.where α sk denotes the angle of reflection at the kth mirror. The constant angle of incidence α k results from 2α rk = α ek - β rk . The relationship between the angle of incidence α ek and the prism angle ω is given by ω = 2α k for this case in which α ek = β rk applies.
Die Beugungseffektivität ist für den einfallenden Lichtstrahl Se größer als für den rückreflektierten Lichtstrahl Sr, wobei der Ein fallswinkel αek gleich dem Beugungswinkel βrk ist.The diffraction effectiveness is greater for the incident light beam Se than for the back-reflected light beam Sr, the angle of incidence α ek being equal to the diffraction angle β rk .
Die Dämpfungsparameter können zum Beispiel aus Fig. 3 entnommen wer den. Dieser optische Isolator 1 hat den Vorteil, daß eine N-fache Beugung in Reflexion mit nur einem Gitter 3 realisiert wird. Die Anzahl Reflexionen ist von den Winkeln und den Längen der ersten und zweiten Flächen 8 und 9 des Prismas 7 abhängig, im allgemeinen wird für einen derartigen optischen Isolator 1 eine etwas längere Prismen basis benötigt.The damping parameters can be found, for example, in FIG. 3. This optical isolator 1 has the advantage that an N-fold diffraction in reflection is realized with only one grating 3 . The number of reflections depends on the angles and the lengths of the first and second surfaces 8 and 9 of the prism 7 , in general a somewhat longer prism base is required for such an optical isolator 1 .
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines diffraktiven optischen Isolators 1 ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Ausführungsform verwendet, ähnlich wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, ein Prisma 7, dessen Seitenflächen 8 und 9 unter einem Winkel ω zueinander geneigt angeordnet sind und jeweils ein Phasenrelief-Gitter als Reflexions-Gitter 6 trägt. Der einfallende Laserstrahl Se wird bei dieser Anordnung an jedem Reflexions-Gitter 6 fünfmal gebeugt, so daß die Anzahl der Beugungen insgesamt N = 10 beträgt.Another embodiment of a diffractive optical isolator 1 is shown in FIG. 7. This embodiment uses, similarly to the embodiment of FIG. 6, a prism 7, the lateral faces 8 and 9 at an angle ω are disposed inclined to each other and each represents a phase relief grating as a reflection grating 6 transmits. In this arrangement, the incident laser beam Se is diffracted five times on each reflection grating 6 , so that the total number of diffractions is N = 10.
Der einfallende Laserstrahl Se tritt an einem spitzenseitigen, unbeschichteten Teil der Seitenfläche 8 in das Prisma 7 ein und trifft unter dem Einfallswinkel αk auf das untere, entlang der Prismenbasis angeordnete Reflexions-Gitter 6, wobei die Einstrahlungsverhältnisse in Verbindung mit der, in Fig. 7 dargestellten, im Querschnitt als rechtwinkliges Dreieck ausgeführten Prisma 7, zu einer besonders einfachen Anordnung führen, derart, daß der Einfallswinkel αk, der nach jeder Beugung reproduziert ist, gleich dem Basiswinkel ω des Prismas 7 ist und der Beugungswinkel βk immer 0° beträgt. Der Lichtstrahl Sa tritt unter dem gleichen Winkel aus dem Prisma 7 aus, unter dem der einfallende Lichtstrahl Se auf das Prisma 7 auftrifft.The incident laser beam Se enters the prism 7 at a tip-side, uncoated part of the side surface 8 and strikes the lower reflection grating 6 arranged along the prism base at the angle of incidence α k , the irradiation conditions in connection with that shown in FIG. 7 shown prism 7 running in the cross section as a right-angled triangle, lead to a particularly simple arrangement, such that the angle of incidence α k, which is reproduced according to each diffraction, is equal to the base angle ω of the prism 7, and the diffraction angle β k is always 0 ° is. The light beam Sa emerges from the prism 7 at the same angle at which the incident light beam Se strikes the prism 7 .
Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 6 hat diese Anordnung den Vorteil, daß die Baugröße des optischen Isolators 1 verringert werden kann.Compared to the embodiment according to FIG. 6, this arrangement has the advantage that the size of the optical isolator 1 can be reduced.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines diffraktiven optischen Isolators 1 zeigt Fig. 8, bestehend aus einem Prisma 7, das auf der ersten Seitenfläche 8 ein Reflexions-Gitter 6 und auf der als Prismenbasis vorgesehenen, weiteren Seitenfläche 9 abfolgend ein Reflexions-Gitter 6 und einen Spiegel 10 aufweist.Another embodiment of a diffractive optical isolator 1 is shown in FIG. 8, consisting of a prism 7 , which has a reflection grating 6 on the first side surface 8 and a reflection grating 6 and a mirror 10 on the further side surface 9 provided as a prism base having.
Ein solches Prisma 7, das ebenso wie bei den anderen Ausführungsbei spielen hinsichtlich seiner Beugungsgitter (hier: Reflexionsgitter 6, Gitterkonstante g) sowie hinsichtlich Modulationstiefe in Abstimmung auf die Lichtwellenlänge λ und den Einfallswinkel α so ausgelegt ist, daß bei der Beugung an einem Gitter 3 (Reflexions-Gitter 6 oder Transmissions-Gitter 4) lediglich die 0. und +1. Beugungsordnung auf treten, so daß bei Auftreffen des rückreflektierten Strahles Sr auf das jeweilige Gitter 3 eine Beugung in die 0. Beugungsordnung, die +1. Beugungsordnung und die -1. Beugungsordnung erzeugt werden, ist insbesondere als optischer Isolator für mehrere parallele Laserstrah len Se geeignet, die im vorliegenden Fall rechtwinklig auf einen git terfreien Bereich der ersten Seitenfläche 8 auftreffen und unter dem gleichen Winkel nach Reflexion am Spiegel 9 wieder aus dem Prisma 7 austreten. Auf diese Weise können mehrere, parallel einfallende Lichtstrahlen Se den gleichen optische Isolator 1 benutzen, und über dies kann die Reihenfolge der verschiedenen Strahlenbündel zwischen Ein- und Austrittsseite vertauscht werden, wie dies durch die in Fig. 8 mit 1, 2, 3 und in unterschiedlichen Stricharten dargestellten Laserstrahlen ersichtlich ist. Überdies kann der Abstand der ver schiedenen Laserstrahlbündel 1, 2, 3 zwischen Ein- und Austrittsseite verändert, im vorliegenden Fall nach Fig. 8 in Richtung des Strahl austritts vergrößert werden.Such a prism 7 , which, like the other exemplary embodiments, is designed with respect to its diffraction grating (here: reflection grating 6 , grating constant g) and with respect to the depth of modulation in coordination with the light wavelength λ and the angle of incidence α so that the diffraction on a grating 3 (Reflection grating 6 or transmission grating 4 ) only the 0th and +1. Diffraction order occur, so that when the reflected beam Sr strikes the respective grating 3, a diffraction into the 0th diffraction order, the +1. Diffraction order and the -1. Diffraction order are generated, is particularly suitable as an optical isolator for several parallel laser beams len Se, which in the present case strike a grid-free area of the first side surface 8 at right angles and emerge from the prism 7 again at the same angle after reflection on the mirror 9 . In this way, a plurality of light rays Se incident in parallel can use the same optical isolator 1 , and the sequence of the different light beams between the entry and exit sides can be exchanged, as is shown by those in FIG. 8 with 1, 2, 3 and in different line types shown laser beams can be seen. In addition, the distance between the different laser beam bundles 1 , 2 , 3 between the entry and exit sides can be changed, in the present case according to FIG. 8 in the direction of the beam exit can be enlarged.
Der Spiegel 10 kann auch durch ein diffraktives optisches Element, wie ein weiteres Reflexions-Gitter ersetzt sein, wobei eine solche Ausführungsform dann zu einer Abwandlung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 7 führen würde. Fehlt der Spiegel 10 in der Ausführungsform nach Fig. 8, treten die Laserstrahlbündel 1, 2, 3 an der Unterseite des Prismas 7 aus diesem aus, gegebenenfalls nach Diffraktion an einem weiteren Transmissions-Gitter.The mirror 10 can also be replaced by a diffractive optical element, such as a further reflection grating, such an embodiment then leading to a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 7. If the mirror 10 is missing in the embodiment according to FIG. 8, the laser beam bundles 1 , 2 , 3 emerge from the underside of the prism 7 , optionally after diffraction on a further transmission grating.
Eine weitere Ausführungsform für einen optischen Isolator 1 ist in Fig. 9 gezeigt, der wiederum ein im Querschnitt ein rechtwinkliges Dreieck bildendes Prisma 7 aufweist, dessen unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufende Seitenflächen 8 und 9 zur Strahlbeugung innerhalb des Prismas 7 jeweils ein Reflexions-Gitter 6 tragen, während im Bereich des Strahleintritts die Seitenfläche 8 zusätzlich ein Transmissions-Gitter 4 aufweist, wobei an einer Seitenfläche 11 des Strahlaustritts ebenfalls ein Transmissions-Gitter 4 angeordnet ist. Vorzugsweise kann das Prisma 7 in einem, ähnlich dargestellten Gehäuse angeordnet sein, das lediglich Öffnungen im Bereich des Strahleintritts (Transmissions-Gitter 4) sowie im Bereich des Strahlaustritts aufweist.A further embodiment for an optical isolator 1 is shown in FIG. 9, which in turn has a prism 7 forming a right-angled triangle in cross section, the side surfaces 8 and 9 of which, at an acute angle to one another, each have a reflection grating for beam diffraction within the prism 7 6 wear, while in the area of the beam inlet the side surface 8 additionally has a transmission grating 4 , a transmission grating 4 also being arranged on a side surface 11 of the beam outlet. The prism 7 can preferably be arranged in a housing, shown in a similar manner, which only has openings in the area of the beam entrance (transmission grating 4 ) and in the area of the beam exit.
Wie dieses Ausführungsbeispiel verdeutlicht, ist es mit einem derartigen Prisma, dessen Transmissions-Gitter 4 und Reflexions-Gitter 6 den eingangs erläuterten Diffraktionsprinzipien folgen, möglich, eine Strahlversetzung um den Betrag a an der Strahlaustrittsseite gegenüber dem Strahleintritt zu erreichen, wobei die Richtung zwischen eintretendem Laserstrahl Se und austretendem Laserstrahl Sa jedoch unverändert bleibt.As this exemplary embodiment illustrates, it is possible with such a prism, whose transmission grating 4 and reflection grating 6 follow the diffraction principles explained at the outset, to achieve a beam displacement by the amount a on the beam exit side relative to the beam entrance, the direction between the entering Laser beam Se and emerging laser beam Sa remains unchanged.
Es ist durch entsprechende Dimensionierung auch möglich, den Betrag der Strahlversetzung a zu 0 werden zu lassen und den austretenden, mehrfach gebeugten Laserstrahl Sa in Verlängerung des eintretenden Laserstrahles Se aus dem Prisma 7 austreten zu lassen.By appropriate dimensioning, it is also possible to make the amount of the beam displacement a become 0 and to let the emerging, multiply diffracted laser beam Sa emerge from the prism 7 as an extension of the incoming laser beam Se.
Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 10 und 11 zeigen eine Erwei terung gegenüber der Gestaltung der bisher erläuterten optischen Iso latoren 1 derart, daß in diesen Fällen der optische Isolator 1 mit weiteren Funktionselementen versehen ist, so daß neben der unverän derten Wirkung der optischen Isolation zugleich auch eine Strahlfor mung einer Quelle, vorzugsweise einer Laserdiode 12 erfolgen kann. In der Ausführungsform nach Fig. 10 erfolgt eine Strahlaufweitung des einfallenden Laserstrahlbündels in einer Dimension. Zu diesem Zweck ist der optische Isolator 1 wiederum als im Querschnitt rechtwinkli ges Prisma 7 ausgeführt, dessen Seitenflächen 8 und 9 mit Reflexions-Gittern 6 zur optischen Isolation versehen sind.The embodiments according to FIGS. 10 and 11 show a Erwei esterification in relation to the design of the previously discussed optical Iso simulators 1 such that is provided in these cases, the optical isolator 1 with further functional elements, so that in addition to the unverän derten effect of optical isolation at the same time a beam formation of a source, preferably a laser diode 12 , can also take place. In the embodiment according to FIG. 10, the incident laser beam is expanded in one dimension. For this purpose, the optical isolator 1 is in turn designed as a prism 7 in cross section, the side surfaces 8 and 9 of which are provided with reflection gratings 6 for optical isolation.
Im Bereich des Eintritts des Laserstrahlbündels von der Laserdiode 12 an der ersten Seitenfläche 8 weist diese ein abbildendes diffraktives optisches Element DOE, d. h. ein Gitter mit abbildenden Eigenschaften, vorzugsweise ein holographisch optisches Element HOE auf, durch das eine Strahlformung in einer Dimension erfolgt, wobei auf der Strahl austrittsseite des Prismas 7 ein Transmissions-Gitter 4 angeordnet ist, über das das aufgeweitete, in einer Dimension geformte Laser strahlbündel in Fig. 10 in Pfeilrichtung austritt.In the area of entry of the laser beam from the laser diode 12 on the first side surface 8 , the latter has an imaging diffractive optical element DOE, ie a grating with imaging properties, preferably a holographic optical element HOE, by means of which beam shaping takes place in one dimension, whereby the beam exit side of the prism 7, a transmission grating 4 is arranged, via which the expanded, one-dimensionally shaped laser beam emerges in the direction of the arrow in FIG. 10.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 zeigt die umgekehrte Möglichkeit der Verkleinerung der Strahldimension, wobei die Strahleintritts- und Strahlaustrittsseite des Prismas 7 gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 10 vertauscht sind und eine Laserdiode zu der in Fig. 11 rechten Seite des Prismas 7 hin gerichtet ist, wobei diese Seitenfläche 13 ein abbildendes diffraktives optisches Element DOE, d. h. ein Gitter 4 mit abbildenden Eigenschaften bzw. vorzugsweise ein holographisch optisches Element trägt. Die beiden Seitenflächen 8 und 9 sind wiede rum mit Reflexions-Gittern 6 versehen, während im Bereich des Strahl austritts an der in Fig. 11 linken Seite das in einer Dimension ver kleinerte Laserstrahlbündel über ein Transmissions-Gitter 4 austritt.The embodiment of Fig. 11 shows the reverse possibility of reduction of beam dimension, wherein the Strahleintritts- and beam exit side of the prism 7 are reversed compared to the embodiment according to Fig. 10 and a laser diode is directed to the in Fig. 11 right-hand side of the prism 7 towards , wherein this side surface 13 carries an imaging diffractive optical element DOE, ie a grating 4 with imaging properties or preferably a holographic optical element. The two side surfaces 8 and 9 are again provided with reflection gratings 6 , while in the region of the beam exit on the left-hand side in FIG. 11, the one-dimensional laser beam emerges via a transmission grating 4 .
Auf diese Weise kann der optische Isolator zugleich zur Strahlformung eingesetzt werden. Das Prinzip der Verkleinerung oder Vergrößerung einer Strahldimension ist bei geeigneter Gestaltung der Beugungseffektivität der eingesetzten Gitter 3 auch ohne optische Isolation anwendbar.In this way, the optical isolator can also be used for beam shaping. The principle of reducing or enlarging a beam dimension can also be used without optical isolation if the diffraction effectiveness of the grating 3 used is suitably designed.
Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Isolators 1 mit der Realisierung des diffraktiven Isolatorprinzips in Trans mission. In diesem Fall sind in einem transparenten Quader 14, in Strahlrichtung abfolgend eine Mehrzahl von Prismen 7 mit Transmissions-Gittern 4 jeweils unter dem gleichen, hier 45° betra genden Neigungswinkel zueinander angeordnet, so daß der Einfallswin kel αk 45° und der Beugungswinkel βk 0° ist. Der einfallende Laserstrahl Se durchläuft eine Kaskade von ebenen Transmissions-Gittern 4 und wird unter den eingangs dargelegten Ver hältnissen in bezug auf die Energie- und Strahlteilung zwischen hin laufendem Nutzstrahl und rücklaufendem Reflexionsstrahl mehrfach ge beugt. Fig. 12 shows an embodiment of an optical isolator 1 with the implementation of the diffractive isolator principle in Trans mission. In this case, a plurality of prisms 7 with transmission gratings 4 are each arranged in a transparent cuboid 14 in the beam direction at the same inclination angle, here 45 °, so that the angle of incidence α k 45 ° and the diffraction angle β k is 0 °. The incident laser beam Se passes through a cascade of planar transmission gratings 4 and is bent several times under the conditions set out above with respect to the energy and beam splitting between the useful beam and the returning reflection beam.
Fig. 12 zeigt in dünner und dicker Strichstärke jeweils 2 einfallende Laserstrahlen Se, um zu verdeutlichen, daß dieser optische Isolator 1 ebenfalls bevorzugt zur Beeinflussung von parallelen, verschiedenen Laserstrahlbündeln genutzt werden kann, die mit dem Abstand te in den optischen Isolator 1 eintreten und diesen mit einem vergrößerten Abstand ta verlassen. Fig. 12 shows in thin and thick line thickness 2 incident laser beams Se to illustrate that this optical isolator 1 can also preferably be used to influence parallel, different laser beams that enter the optical isolator 1 with the distance t e leave this with an increased distance t a .
Eine solche Anordnung ist vorteilhaft für die Herstellung diffraktiver optischer Isolatoren 1 für die integrierte Optik und in Verbindung mit der Diffraktion geführten Lichtes in der Wellenleitertechnik, insbesondere für Schichtwellenleiter von Bedeutung.Such an arrangement is advantageous for the production of diffractive optical isolators 1 for the integrated optics and in connection with the diffraction guided light in waveguide technology, in particular for layer waveguides.
Dies gilt auch für den optischen Isolator 1 nach einem weiteren Aus führungsbeispiel, das in Fig. 13 gezeigt ist, der als Doppelprisma aus zwei Prismen 7 aufgebaut ist. Entlang der Grenzfläche beider Prismen (in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen Seitenfläche 9) ist ein Transmissions-Gitter 4 angeordnet, während die beiden außen liegenden, zueinander geneigt laufenden Seitenflächen 8 der Doppel prismenanordnung Spiegel 9 zur Reflexion des an dem innen liegenden Transmissions-Gitter fünfmal gebeugten Laserstrahles Se. Gegebenen falls können die Spiegel 10 auch durch Reflexions-Gitter 6 ersetzt sein. Der einfallende Lichtstrahl Se trifft unter einem Winkel auf den spitzenseitigen, unverspiegelten Teil der Seitenfläche 8 des in Fig. 13 oberen Prismas 7 auf und wird zu dem Transmissions-Gitter 4 hin gebrochen, durch dieses in der vorerläuterten Weise hinsichtlich der Energiebilanz von dem einfallendem und rückreflektiertem Licht strahl zu der unteren Außenfläche 8 hin gebeugt und von dem dort vor gesehenen Spiegel 10 erneut in Richtung des Transmissions-Gitters 4 reflektiert. Nach mehrfacher Reflexion durch die Spiegel 10 und Beu gung an dem innen liegenden Transmissions-Gitter 4 tritt der mehrfach diffraktierte Laserstrahl Sa an der in Fig. 13 rechten Seite unter dem gleichen Winkel aus dem oberen Prisma 7 aus, unter dem der ein fallende Laserstrahl Se das Prisma 7 erreichte.This also applies to the optical isolator 1 according to a further exemplary embodiment, which is shown in FIG. 13 and which is constructed as a double prism from two prisms 7 . A transmission grating 4 is arranged along the interface of the two prisms (side surface 9 in the previous exemplary embodiments), while the two outer side surfaces 8 of the double prism arrangement mirrors 9 , which run inclined to one another, for reflecting the laser beam which is diffracted five times on the inner transmission grating Se. If necessary, the mirror 10 can also be replaced by reflection grating 6 . The incident light beam Se strikes the tip-side, non-reflecting part of the side surface 8 of the upper prism 7 in FIG. 13 at an angle and is refracted towards the transmission grating 4 , through this in the manner explained above with regard to the energy balance of the incident and back-reflected light beam diffracted towards the lower outer surface 8 and reflected again by the mirror 10 seen there in the direction of the transmission grating 4 . After multiple reflection by the mirror 10 and diffraction at the internal transmission grating 4 , the multiple-diffracted laser beam Sa emerges from the upper prism 7 on the right-hand side in FIG. 13 at the same angle at which the incident laser beam Se reached the prism 7 .
Ein optischer Isolator 1 kann auch durch ein diffraktives Element gebildet werden, das zwei Disperionsrichtungen aufweist. Vorzugsweise wird er durch periodische Phasenrelief-Gitter gebildet, die einen durch den jeweiligen Anwendungsfall vorteilhaft zu bestimmenden Winkel einschließen. Im einfachsten Fall kann dies ein Kreuzgitter 15 sein, wie dies schematisch in Fig. 14 dargestellt ist.An optical isolator 1 can also be formed by a diffractive element which has two directions of dispersion. It is preferably formed by periodic phase relief gratings, which enclose an angle that can be advantageously determined by the respective application. In the simplest case, this can be a cross grating 15 , as is shown schematically in FIG. 14.
Das Kreuzgitter 15 kann als Kombination zweier einfacher Gitter 3, hier Reflexions-Gitter 6, aufgefaßt werden, die um 90° zueinander gedreht angeordnet sind. Für das Kreuzgitter 15 gilt in x- und y-Richtung die Gittergleichung (4) mit entsprechenden, unterschiedlichen Vorzeichen für Reflexion oder Transmission. Auch in diesem Fall werden die Linienzahlen des Kreuzgitters 15 in x- und y-Richtung so gewählt, daß der einfallende Laserstrahl Se (hier in Reflexion) in die 0. Beugungsordnung und die +1. Beugungsordnung zerlegt wird.The cross grating 15 can be understood as a combination of two simple grids 3 , here reflection grids 6 , which are arranged rotated by 90 ° to one another. For the cross grating 15 , the grating equation (4) with corresponding, different signs for reflection or transmission applies in the x and y directions. In this case too, the number of lines of the cross grating 15 in the x- and y-directions are chosen such that the incident laser beam Se (here in reflection) is in the 0th diffraction order and the +1. Diffraction order is broken down.
Der objektseitig rückreflektierte Laserstrahl Sr trifft senkrecht auf das Kreuzgitter 15 und erzeugt alle Kombinationen der Ordnungen k, l = 0,1. Das heißt es erfolgt eine Zerlegung des rückreflektierten Strahles Sr in 9 Strahlteile, so daß in Richtung der Laserstrahlquelle höchstens 1/9 der rückreflektierten Intensität IR als Störstrahl Ss gebeugt wird. Bei geeigneter Gestaltung der Beugungseffektivität in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α kann dieser Faktor noch weiter verringert und damit die optische Isolation verbessert werden.The laser beam Sr reflected back on the object perpendicularly strikes the cross grating 15 and generates all combinations of the orders k, l = 0.1. This means that the back-reflected beam Sr is broken down into 9 beam parts, so that at most 1/9 of the back-reflected intensity I R is diffracted as an interfering beam Ss in the direction of the laser beam source. With a suitable design of the diffraction effectiveness as a function of the angle of incidence α, this factor can be reduced even further and the optical isolation can thus be improved.
Auch in diesem Fall sind die vorerläuterten Ausführungsbeispiele hin sichtlich der Gitteranordnungen (die für eindimensionale Gitter mit einer Dispersionsrichtung dargelegt wurden) anwendbar, wobei für das Kreuzgitter der Vorteil einer Reduzierung der Anzahl der Beugungen (Reflexionen und/oder Transmissionen) bei gleichzeitig wesentlich er höhter optischer Isolation (größere Strahlzerlegung des rückreflek tierten Laserstrahles) und damit wesentlich vermindernde Intensität eines in Richtung der Einfallsrichtung auf die Laserquelle zurücklau fenden Störstrahles Ss besteht.In this case too, the previously explained exemplary embodiments are obsolete visually the lattice arrangements (those for one-dimensional lattices with a direction of dispersion) were applicable, for which Cross gratings have the advantage of reducing the number of bends (Reflections and / or transmissions) at the same time he essential higher optical isolation (larger beam breakdown of the back reflection tated laser beam) and thus significantly reducing intensity one in the direction of the direction of incidence on the laser source interfering beam Ss.
Es ist nicht erforderlich, daß an dem Kreuzgitter in x- und y-Richtung jeweils die gleiche Anzahl von Beugungen des einfallenden Laserstrahles auftritt. Vielmehr können diese jeweils verschieden sein unter Gewährleistung einer höheren Beugungseffektivität in Einfalls- als in Rückreflexionsrichtung.It is not necessary that on the cross grid in x and y-direction the same number of diffractions of the incident Laser beam occurs. Rather, they can each be different be in ensuring higher diffraction effectiveness Incidence than in the back reflection direction.
Das Prinzip der optischen Isolation durch Diffraktion läßt sich ins besondere für die integrierte Optik nutzen, da die nicht-geführte Dimension des Lichtstrahles den Freiraumbedingungen entspricht.The principle of optical isolation by diffraction can be inscribed use special for the integrated optics, as the non-guided Dimension of the light beam corresponds to the open space conditions.
So zeigt Fig. 15 schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen optischen Isolator 1 in Verbindung mit einem Schichtwellenleiter 16 und damit die Anwendung des vorerläuterten Prinzips der optischen Isolation durch Diffraktion auf den Bereich geführten Laserlichtes, dessen nicht-geführte Dimension die Verwendung von diffraktiven optischen Elementen, insbesondere Gittern 3 zur optischen Isolation gestattet. Während Fig. 15a schematisch eine Draufsicht eines Schichtwellenleiters 16 zeigt, in den der Laserlichtstrahl Se von einer Laserdiode 12 eingestrahlt wird, zeigen die Fig. 15b und 15c jeweils schematisch in Draufsicht und perspektivischer Darstellung die jeweilige Gitterstruktur der Reflexions-Gitter 6. In dem Schichtwellenleiter 16 sind periodische Strukturen 17 so eingebracht, daß Gitterlinien als Reflexions-Gitter 6 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der geführten Moden des Laserstrahles stehen und tiefer sind als der wellenleitende Bereich. Das von der Laserdiode 13 kommende Licht wird an diesen Reflexions-Gittern 6 gebeugt, so daß für die Einstrahlungsrichtung und die Rückreflexionsrichtung die vorerläuterten, unterschiedlichen Beugungseffektivitäten wirksam werden. In entsprechender Weise kann auch das in Fig. 12 dargestellte Prinzip diffraktiver optischer Isolation in Transmission, d. h. die Verwendung von Transmissions-Gittern als Gitterstruktur für Wellenleiter genutzt werden. Thus, FIG. 15 schematically shows an embodiment of an optical isolator 1 in conjunction with a planar waveguide 16, and therefore the application of the above-explained principle of the optical isolation by diffraction in the range guided laser beam, the non-run dimension of the use of diffractive optical elements, in particular Grids 3 allowed for optical isolation. While Fig. 15a shows schematically a plan view of a slab waveguide 16, is irradiated into which the laser light beam Se from a laser diode 12, Figs. 15b and 15c respectively schematically in plan view and perspective view of the respective grating structure of the reflection grating 6. Periodic structures 17 are introduced in the layer waveguide 16 such that grating lines as reflection gratings 6 are perpendicular to the direction of propagation of the guided modes of the laser beam and are deeper than the waveguiding region. The light coming from the laser diode 13 is diffracted at these reflection gratings 6 , so that the previously explained different diffraction efficiencies become effective for the direction of irradiation and the direction of reflection back. Correspondingly, the principle of diffractive optical isolation in transmission shown in FIG. 12, ie the use of transmission gratings as a grating structure for waveguides, can also be used.
Hinsichtlich der vorerläuterten Ausführungsbeispiele wird auch darauf hingewiesen, daß es möglich ist, die Gitter 3 zur Mehrfachbeugung in geneigter Anordnung zueinander sowohl an einem Prisma als auch z. B. auf in entsprechenden Neigungswinkeln angeordneten Glasplatten oder auch frei im Raum oder in einem transparenten Feststoffkörper (Fig. 11) anzuordnen.With regard to the previously described exemplary embodiments, it is also pointed out that it is possible to arrange the grating 3 for multiple diffraction in an inclined arrangement relative to one another both on a prism and, for. B. on glass plates arranged in appropriate angles of inclination or freely in space or in a transparent solid body ( Fig. 11).
Es wird überdies darauf hingewiesen, daß für die optische Isolation durch Einrichten einer Strahlteilung und unterschiedlichen Energiebilanz für die Einstrahlungs- und die Rückkopplungsrichtung möglich ist, bei der Verwendung polarisierten Lichtes für den Polarisationszustand DE (E-Vektor) in paralleler Richtung zu den Gitterfurchen bzw. -linien des Beugungsgitters und für den Polarisationszustand DM (E-Vektor senkrecht zu den Gitterfurchen bzw. Gitterlinien) die gleiche Beugungseffektivität des Gitters zu erreichen, so daß der optische Isolator unabhängig von der Polarisationsrichtung sowohl in paralleler als auch in orthogonaler Anordnung verwendet werden kann.It is also noted that for optical isolation by setting up a beam splitting and different Energy balance for the irradiation and the feedback direction is possible when using polarized light for the Polarization state DE (E vector) in the direction parallel to the Grating grooves or lines of the diffraction grating and for the Polarization state DM (E vector perpendicular to the lattice furrows or grating lines) to the same diffraction effectiveness of the grating reach so that the optical isolator regardless of the Direction of polarization in both parallel and orthogonal Arrangement can be used.
Die Anordnung der Reflexionsgitter 6 und/oder der Transmissionsgitter 4 ist einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander und in Verbindung mit anderen optischen Bauelementen, insbesondere anderen diffraktiven oder refraktiven optischen Elementen und/oder mit Elementen der integrierten Optik möglich. Für Reflexions-Gitter 6 kann zur Erhöhung der Beugungseffektivität eine metallische Bedampfung und/oder eine Beschichtung zur Optimierung der Intensitätsverhältnisse (Transmissionsfaktoren) Wa und Wb, insbesondere bei Integration in einen Schichtwellenleiter (s. Fig. 15) erfolgen.The arrangement of the reflection gratings 6 and / or the transmission gratings 4 is possible individually or in any combination with one another and in connection with other optical components, in particular other diffractive or refractive optical elements and / or with elements of the integrated optics. Metallic vapor deposition and / or a coating for optimizing the intensity ratios (transmission factors) W a and W b can be carried out for reflection gratings 6 , in particular when they are integrated into a layer waveguide (see FIG. 15).
Die für den Freiraum (nicht-geführtes Licht) erläuterten Ausführungsbeispiele können in den bekannten Herstellungstechnologien für optische bzw. computererzeugte Hologramme (HOE bzw. CGH) ausgeführt werden. Damit ist auch die Anwendung entsprechender, dort benutzter Techniken der Vervielfältigung, wie Kopieren, Prägen, Spritzgießen etc. möglich. Those explained for the free space (non-guided light) Embodiments can be found in the known Manufacturing technologies for optical or computer-generated Holograms (HOE or CGH) are executed. With that is also the Application of appropriate techniques used there Reproduction, such as copying, embossing, injection molding, etc. possible.
Die Einbringung der entsprechenden Gitter-Reliefstrukturen in Schichtwellenleiter (siehe Ausführungsbeispiel Fig. 15) senkrecht zum Wellenleiter kann mit den bekannten Ätztechniken durch Masken oder durch Direktbelichtung in Fotolack erfolgen. Eine spezielle Möglichkeit der Ausführung ergibt sich durch die Modulierung des periodisch berandeten Wellenleiters in Fotolack und der dadurch möglichen Herstellung eines erzeugten Werkzeuges zur Prägung in geeignete Materialien wie Polymere, PMMA, Fotolack. Eine metallische Bedampfung kann der Erhöhung der Beugungseffektivität für Reflexion dienen.The corresponding lattice relief structures can be introduced into the layer waveguide (see exemplary embodiment in FIG. 15) perpendicular to the waveguide using the known etching techniques by means of masks or by direct exposure in photoresist. A special possibility of the execution results from the modulation of the periodically bordered waveguide in photoresist and the thus possible production of a tool for embossing into suitable materials such as polymers, PMMA, photoresist. Metallic vapor deposition can serve to increase the diffraction efficiency for reflection.
Weitere Ausführungsbeispiele der Gestaltung von optischen Isolatoren durch insbesondere Mehrfachbeugung des einfallenden Lichtstrahles an diffraktiven optischen Elementen und deren unterschiedliche Kombina tion sind in Abhängigkeit vom speziellen Anwendungsfall möglich. Eine besonders günstige Wirkung ergibt sich, wenn unter Abstimmung der Gitterkonstanten in Abhängigkeit von der verwendeten Lichtwellenlänge und unter der Wahl des Einfallswinkels des Lichtstrahles auf das erste Gitter höhere Beugungsordnungen unterdrückt werden und für den rückreflektierten Strahl eine größere Strahlaufteilung als für den einfallenden Strahl erfolgt. Bei Gewährleistung unterschiedlicher Beugungseffektivität für den Laserstrahl in Nutzstrahlrichtung und Rückstrahlrichtung durch jeweils in beiden Richtungen unterschied liche Einfallswinkel kann gegebenenfalls auch auf die Unterdrückung höherer Beugungsordnungen verzichtet werden. Vorteilhaft können auch beide Effekte (Unterdrückung höherer Beugungsordnungen für den ein fallenden Laserstrahl, unterschiedliche Einfallswinkel für den ein fallenden und rückreflektierten Laserstrahl der verwendeten Beugungs ordnung) zur Vergrößerung der Isolationswirkung miteinander kombiniert werden.Further embodiments of the design of optical isolators through in particular multiple diffraction of the incident light beam diffractive optical elements and their different combinations tion are possible depending on the specific application. A there is a particularly favorable effect if the Lattice constants depending on the light wavelength used and under the choice of the angle of incidence of the light beam on the first grating higher diffraction orders are suppressed and for the back-reflected beam has a larger beam distribution than for the incident beam occurs. When guaranteeing different Diffraction effectiveness for the laser beam in the direction of the useful beam and The direction of reflection is differentiated in both directions Liche angle of incidence can possibly also on the suppression higher diffraction orders can be dispensed with. Can also be beneficial both effects (suppression of higher diffraction orders for the one falling laser beam, different angles of incidence for the one falling and back-reflected laser beam of the diffraction used order) to increase the insulation effect with each other be combined.
Der Anmeldungsgegenstand ist also nicht auf die Unterdrückung höherer Beugungsordnungen (als die 0. und +1. Beugungsordnung) beschränkt. Vielmehr können auch höhere Beugungsordnungen für den einfallenden Laserstrahl (und sogar gleiche Beugungsordnungen zwischen einfallen dem und rückreflektiertem Laserstrahl) zugelassen werden, solange in Einfallsrichtung eine höhere Beugungseffektivität (und Strahlungs energie) als in Rückreflexionsrichtung durch höhere Zerlegung des rückreflektierten Strahles und/oder unterschiedliche Einfallswinkel für den einfallenden und rückreflektierten Strahl durch Abstimmung von Gitterkonstanten, Lichtwellenlänge, Einfallswinkel und gegebenen falls Modulationstiefe gewährleistet bleiben.The subject of registration is therefore not on the suppression of higher ones Diffraction orders (as the 0th and +1 st diffraction orders) limited. Rather, higher diffraction orders for the incident Laser beam (and even the same diffraction orders between and back-reflected laser beam) as long as in Direction of incidence a higher diffraction efficiency (and radiation energy) than in the back reflection direction due to higher decomposition of the back-reflected beam and / or different angles of incidence for the incident and back-reflected beam by tuning of lattice constants, light wavelength, angle of incidence and given if the depth of modulation remains guaranteed.
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- 1994-07-18 DE DE4425358A patent/DE4425358C2/en not_active Expired - Fee Related
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