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Die Erfindung betrifft einen Gitterkoppler zum Eingeben von
Licht in einen optischen Wellenleiter oder zum Emittieren
von Licht aus einem optischen Wellenleiter in integrierten
optischen Elementen oder anderen optischen Elementen.
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Integrierte optische Aufnehmer, integrierte optische
Abrasterelemente, integrierte optische
Doppler-Geschwindigkeitsmesser und andere integrierte optische Elemente haben unter
Verwendung optischer Wellenleiter, in denen sich Licht
ausbreitet, hohes Funktionsvermögen erreicht. Um Licht in den
optischen Wellenleiter dieser Arten integrierter optischer
Elemente einzugeben, wird das Ende des optischen
Wellenleiters optisch poliert, und das Licht wird mittels einer Linse
mit großer numerischer Apertur (NA) konvergiert und vom
optisch polierten Ende des optischen Wellenleiters her in das
Innere des optischen Wellenleiters eingegeben. Wenn jedoch
Licht auf diese Weise in einen optischen Wellenleiter
eingegeben wird, muß das Ende des optischen Wellenleiters mit
hoher Genauigkeit poliert werden, und die optischen Achsen
der Linse und des optischen Wellenleiters müssen genau
ausgerichtet werden.
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Im Gegensatz zu diesem Verfahren werden in großem Umfang
andere Verfahren verwendet, bei denen Licht mittels eines
Gitterkopplers in einen optischen Wellenleiter eingegeben oder
von diesem emittiert wird, wobei der Gitterkoppler wegen
seiner geringen Größe und seines dünnen Aufbaus leicht
integriert werden kann.
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Ein Gitterkoppler wird dadurch hergestellt, daß an der
Oberseite
eines optischen Wellenleiters ein Gitter angebracht
wird. Das Gitter verfügt über verschiedene Konfigurationen
wie über mehrere gerade Linien mit demselben Abstand,
mehrere gekrümmte Linien, deren Abstand sich allmählich ändert,
und dergleichen.
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Fig. 5a ist eine Draufsicht, die einen herkömmlichen
Gitterkoppler zeigt, und Fig. 5b ist ein Schnitt durch denselben.
Der Gitterkoppler wird dadurch hergestellt, daß an der
Oberseite eines optischen Wellenleiters 42, der an der Oberseite
eines kristallinen Substrats 41 aus LiNbO&sub3; oder einem
anderen Material hergestellt ist, ein Gitter ausgebildet wird.
Der optische Wellenleiter 42 wird in der Mitte des Substrats
von einer Seite zur anderen Seite und über seine Länge mit
gleichmäßiger Breite und Dicke ausgebildet. Das Gitter 43
besteht aus mehreren plattenähnlichen, transparenten
Elementen gleicher Länge, die den optischen Wellenleiter 42
rechtwinklig zu seiner Länge schneiden. Wenn Licht auf das Gitter
43 gestrahlt wird, tritt es durch das Gitter 43 in den
optischen Wellenleiter 42 ein und breitet sich in diesem aus.
Das sich im optischen Wellenleiter 42 ausbreitende, geführte
Licht wird vom Gitter 43 zur Außenseite des Wellenleiters 42
emittiert.
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Wenn sich das im optischen Wellenleiter 42 ausbreitende,
geführte Licht 21 bei einem derartigen herkömmlichen
Gitterkoppier vom Gitter 43 emittiert wird, gilt folgendes für den
Kopplungswirkungsgrad.
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Das sich im Gitterkoppler ausbreitende Licht wird durch die
Ausbreitung allmählich abgeschwächt. Wenn z die Koordinate
der Ausbreitungsrichtung im Gitterkoppler für das im
optischen Wellenleiter 42 geführte Licht 21 bezeichnet, wird die
Intensität des vom Gitterkoppler emittierten Lichts durch
die Differentialgleichung gemäß der folgenden Gleichung 1
erhalten:
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dPO/dz = -ηPO (1),
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wobei η der Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers ist.
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Aus der Gleichung 1 ergibt sich folgendes:
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PO exp(-ηz) (2).
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Demgemäß ist die Intensitätsverteilung des emittierten
Lichts durch eine Exponentialfunktion repräsentiert, wie in
Fig. 5b angezeigt.
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Auf diese Weise wird das Licht, das sich im optischen
Wellenleiter 42 ausgebreitet hat, mit exponentieller
Intensitätsverteilung vom Gitterkoppler emittiert. Da ein Gitter
jedoch ein optisch umkehrbares Element ist, wird, wenn das
in das Gitter eintretende Licht diese Art einer
exponentiellen Intensitätsverteilung aufweist, die Intensität des
Lichts, das sich im optischen Wellenleiter 42 ausbreitet,
konstant, so daß der Kopplungswirkungsgrad des optischen
Gitterkopplers deutlich verbessert ist.
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In der Realität ist es jedoch schwierig, dem in den
Gitterkoppler eintretenden Licht oder dem Licht, das sich im
optischen Wellenleiter ausbreitet, die oben erläuterte
exponentielle Intensitätsverteilung zu verleihen, und normalerweise
hat es eine symmetrische Intensitätsverteilung wie die eines
Halbleiterlaserstrahls. Daher ist der Kopplungswirkungsgrad
von Gitterkopplern auf ungefähr 80 % beschränkt.
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Patent Abstracts of Japan, Vol 12, Nr. 334 (S. P-756)
[3181] & JP-A-63 96606, auf denen die Oberbegriffe der
Ansprüche 1 und 2 beruhen, offenbaren einen Gitterkoppier, bei
dem sich die Dicke des Wellenleiters linear ändert. Dieser
Gitterkoppler wirkt als Linse, und ein sich im Gitterkoppler
ausbreitender Lichtstrahl wird auf einen Punkt über
demselben fokussiert.
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Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ist ein
Gitterkoppler mit folgendem geschaffen: einem integrierten
optischen Wellenleiter und einem auf diesem optischen
Wellenleiter ausgebildeten Gitter zum optischen Ein- oder
Auskoppeln von Lichtstrahlen in den bzw. aus dem optischen
Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt
des sich dem Gitter entlang erstreckenden optischen
Wellenleiters in seiner Breite so verjüngt ist, daß er in der
Ausbreitungsrichtung von darin geführtem Licht schmaler wird,
um aus dem Gitter ausgekoppelt zu werden, wobei der breitere
Teil des sich verjüngenden Wellenleiterquerschnitts am Ende
des Gitters liegt, an dem das geführte Licht eintritt, und
der schmalere Teil am anderen Ende des Gitters liegt; und
die Breitenänderung des sich verjüngenden
Wellenleiter-Querschnitts auf solche Weise ausgewählt ist, daß der
Kopplungkoeffizient des Gitters allmählich und linear ausgehend vom
breiteren zum schmaleren Teil des sich verjüngenden
Querschnitts hin ansteigt, wodurch die Intensität des vom Gitter
emittierten Lichts eine Normalverteilung zeigt.
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Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist ein
Gitterkoppler mit folgendem geschaffen: einem integrierten
optischen Wellenleiter und einem auf diesem optischen
Wellenleiter ausgebildeten Gitter zum optischen Ein- oder
Auskoppeln von Lichtstrahlen in den bzw. aus dem optischen
Wellenleiter, wobei der Querschnitt des sich dem Gitter entlang
erstreckenden optischen Wellenleiters in seiner Dicke so
verjüngt ist, daß er in der Ausbreitungsrichtung von darin
geführtem Licht dünner wird, um aus dem Gitter ausgekoppelt
zu werden, wobei der dickere Teil des sich verjüngenden
Wellenleiterquerschnitts am Ende des Gitters liegt, an dem
das geführte Licht eintritt, und der dünnere Teil am anderen
Ende des Gitters liegt; dadurch gekennzeichnet, daß die
Dikkenänderung des sich verjüngenden Wellenleiter-Querschnitts
auf solche Weise ausgewählt ist, daß der
Kopplungskoeffizient des Gitters allmählich und linear ausgehend vom
dickeren zum dünneren Teil des sich verjüngenden Querschnitts hin
ansteigt, wodurch die Intensität des vom Gitter emittierten
Lichts eine Normalverteilung zeigt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Gitter aus
mehreren plattenähnlichen Streuemrichtungen gleicher Länge
besteht, die den optischen Wellenleiter rechtwinklig zu
seiner Länge schneiden.
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Demgemäß ermöglicht es die hier beschriebene Erfindung, das
Ziel des Schaffens eines Gitterkopplers zu erreichen, bei
dem die Intensitätsverteilung von Lichtstrahlen innerhalb
oder außerhalb des optischen Wellenleiters mit der
Kopplungswirkungsgradverteilung des Gitterkopplers
übereinstimmt, wodurch der Kopplungswirkungsgrad desselben stark
verbessert werden kann.
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Die Erfindung kann vom Fachmann unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, und ihre
zahlreichen Aufgaben und Vorteile werden daraus ersichtlich.
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Fig. 1a ist eine Draufsicht, die einen erfindungsgemäßen
Gitterkoppler zeigt.
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Fig. 1b ist eine Schnittansicht, die den Gitterkoppier von
Fig. 1a zeigt.
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Fig. 2 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem
effektiven Brechungsindex des optischen Wellenleiters und
dem Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers von Fig. 1a
zeigt.
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Fig. 3a und 3b sind eine Draufsicht bzw. eine
Schnittansicht, die einen anderen erfindungsgemäßen Gitterkoppler
zeigen.
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Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm&sub1; das einen
Herstellprozeß für den Gitterkoppier von Fig. 3a veranschaulicht.
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Fig. 5a und 5b sind eine Draufsicht bzw. eine
Schnittansicht, die einen herkömmlichen Gitterkoppler zeigen.
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Die Fig. 1a und 1b zeigen einen erfindungsgemäßen
Gitterkoppier mit einem Gitter 13 einer Länge d&sub0;, der in der
Längsrichtung eines streifenähnlichen optischen
Wellenleiters 12 auf diesem ausgebildet ist, wobei der optische
Wellenleiter 12 auf einem Substrat 11 aus z. B. LiNbO&sub3;
hergestellt ist. Der optische Wellenleiter 12 wird normalerweise
durch ein Protonenaustauschverfahren mit gleichmäßiger Dicke
ausgebildet.
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Das Gitter 13 ist auf dem optischen Wellenleiter 12
positioniert. Die Breite des optischen Wellenleiters 12 ist
einheitlich, mit Ausnahme derjenigen im Abschnitt, auf dem das
Gitter 13 liegt, wo sich die Breite allmählich verjüngt.
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Das Gitter 13, das auf dem sich verjüngenden Teil des
optischen Wellenleiters 12 liegt, besteht aus mehreren
plattenähnlichen Streuemrichtungen gleicher Länge, wobei diese
plattenähnlichen Streuemrichtungen den optischen
Wellenleiter 12 rechtwinklig zu seiner Länge schneiden.
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Der optische Wellenleiter 12 wird dadurch hergestellt, daß
ein Elektronenstrahlresist wie Polymethylmethacrylat auf das
Substrat 11 aufgetragen wird, ein Maskenmuster mit der oben
angegebenen Form mittels Elektronenstrahlbelichtung
aufgezeichnet wird, der Resist belichtet wird und ein normales
protonenaustauschverfahren verwendet wird. Das Gitter 13
wird dadurch hergestellt, daß ein transparenter Film wie ein
solcher aus Si&sub3;N&sub4; auf dem Substrat 11 abgeschieden wird, auf
dem der optische Wellenleiter 12 ausgebildet wurde, ein
Elektronenstrahlresist auf dem transparenten Film
aufgetragen wird, das Gittermuster unter Verwendung eines
Elektronenstrahl-Belichtungsverfahrens gezeichnet wird, und das
Muster unter Verwendung eines Ätzmittels, wie gepufferter HF,
geätzt wird. Die Länge des Gitterkopplers beträgt
vorzugsweise ungefähr 500 µm, um eine Aberration durch die
Elektronenstrahl-Belichtungsvorrichtung zu vermeiden.
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Durch die Änderung der Breite des optischen Wellenleiters 12
ändert sich der Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers.
Fig. 2 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem
effektiven Brechungsindex des optischen Wellenleiters und
dem Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers zeigt. Der
effektive Brechungsindex ist ungefähr proportional zur Breite
des optischen Wellenleiters. Die Breite des Abschnitts des
optischen Wellenleiters 12 unter dem Gitter 13 ist bei
diesem Beispiel so eingestellt, daß der Kopplungskoeffizient
ein Ende zum schmalsten Teil des optischen Wellenleiters
unter dem Gitter 13 hin am höchsten ist und der
Kopplungskoeffizient sich linear ändert. Wie es aus dem Kurvenbild
von Fig. 2 erkennbar ist, wird der effektive Brechungsindex
im schmalsten Abschnitt des optischen Wellenleiters 12, der
der Sperrpunkt ist, an dem sich kein geführtes Licht mehr
ausbreitet, dem Brechungsindex des Substrats gleich. Der
Kopplungskoeffizient nimmt monoton ab, wenn der effektive
Brechungsindex mit zunehmender Breite des optischen
Wellenleiters 12 größer wird. Bei diesem Beispiel ist die Breite
des optischen Wellenleiters 12 so verjüngt, daß der
schmalste
Abschnitt der Breite des optischen Wellenleiters, wo der
Kopplungskoeffizient am höchsten ist, an einem Ende des
Gitters 13 liegt, und der breiteste Abschnitt desselben am
anderen Ende in der Ausbreitungsrichtung des geführten Lichts
liegt.
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Wenn Licht in das Gitter 13 des Gitterkopplers mit dem
obenangegebenen Aufbau eintritt, wird das Licht durch dieses
Gitter 13 gebeugt und in den optischen Wellenleiter 12
gerichtet, wo es sich ausbreitet. Das sich im optischen
Wellenleiter 12 ausbreitende Licht wird durch das Gitter 13
gebeugt, von dem es emittiert wird.
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Die Emission des geführten Lichts 21, das sich im optischen
Wellenleiter 12 ausgebreitet hat, aus dem Gitterkoppler zur
Außenseite desselben wird wie folgt beschrieben: wenn die
Intensität des emittierten Lichts 22 den Wert P&sub0; hat, der
Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers η ist und die
Koordinate der Ausbreitungsrichtung des geführten Lichts z ist,
ist die Intensität PO des emittierten Lichts durch die
folgende Differentialgleichung 3 gegeben.
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dP&sub0;/dz = - η(z)P&sub0; (3).
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Der Kopplungskoeffizient 71 des Gitterkopplers ist eine
lineare Funktion von z&sub1; so daß folgendes gilt:
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ex /-z²/&sub2;) (4)
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wobei die Intensität P&sub0; des emittierten Lichts eine
Normalverteilung zeigt (siehe Fig. 1b).
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Auf diese Weise zeigt die Intensität des emittierten Lichts,
wenn der Kopplungskoeffizient des Gitterkopplers sich mit
gleichmäßiger Rate in der Ausbreitungsrichtung des geführten
Lichts ändert, Normalverteilung hinsichtlich des geführten
Lichts mit gleichmäßiger Intensität, so daß die Verteilung
des Kopplungswirkungsgrad des Gitterkopplers eine
Normalverteilung wird. Demgemäß erreicht der Gitterkoppler dieselbe
Kopplungswirkungsgrad-Verteilung wie die von Licht mit einer
Normalverteilung der Intensität, wie dies bei einem
Laserstrahl der Fall ist, und solange der Gitterkoppier in der
Ausbreitungsrichtung des optischen Wellenleiters ausreichend
lang ist, ist schwächung des Lichts verringert, obwohl der
Gesamtkopplungskoeffizient niedrig ist. Im Ergebnis erreicht
der Gitterkoppler eine optische Kopplung mit hohem
Wirkungsgrad zwischen den Lichtstrahlen innerhalb und außerhalb des
optischen Wellenleiters.
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Die Fig. 3a und 3b zeigen einen anderen erfindungsgemäßen
Gitterkoppler, bei dem der Kopplungswirkungsgrad des
Gitterkopplers dadurch geändert wird, daß die Breite des optischen
Wellenleiters konstant gehalten wird, aber die Dicke
desselben unter der Fläche, in der das Gitter 13 ausgebildet ist,
variiert wird. In diesem Fall wird die Änderung des
Kopplungskoeffizients des Gitterkopplers in Beziehung zur
Änderung der Dicke des optischen Wellenleiters 12 vorab
betrachtet, und die Dicke des optischen Wellenleiters 12 wird so
eingestellt, daß der Kopplungskoeffizient unter einem Ende
des Gitters 13 am höchsten ist und unter dem anderen Ende
des Gitters 13 am niedrigsten ist, wobei sich die Dicke
dazwischen linear ändert. Auf diese Weise ist die Dicke des
optischen Wellenleiters 12 in der Dickenrichtung so
verjüngt, daß der dünnste Abschnitt des optischen Wellenleiters
12 an einem Ende des Gitters 13 liegt und sein dickster
Abschnitt am anderen Ende in der Ausbreitungsrichtung des
geführten Lichts liegt. Andere Konfigurationen stimmen mit
denen des in Fig. 1 dargestellten, funktionierenden
Beispiels überein.
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Die Dicke des optischen Wellenleiters 12 kann dadurch
geändert werden, daß die Protonenaustauschzeit geändert wird, da
die Dicke proportional zur Quadratwurzel der
Protonenaustauschzeit ist. Um die Dicke des optischen Wellenleiters 12
durch Ändern der Protonenaustauschzeit zu ändern, kann das
Substrat 11, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, senkrecht in
der Protonenaustauschlösung 31 aufgehängt werden und dann
allmählich aus dieser herausgehoben werden.
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Obwohl die vorstehend angegebenen Beispiele nur ein
Verfahren offenbaren, bei dem der optische Wellenleiter durch
Protonenaustausch auf einem LiNbO&sub3;-Substrat ausgebildet wurde
und das Gitter aus einem auf diesen optischen Wellenleiter
auflaminierten Si&sub3;N&sub4;-Film bestand, ist die Erfindung auf ein
Verfahren anwendbar, bei dem der optische Wellenleiter
dadurch ausgebildet wird, daß ein ITO-Film, ein
Elektronenstrahlresist oder ein anderer transparenter Film einer
geeigneten Ätztechnik unterzogen wird.
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Darüber hinaus kann als Substrat LiTaO&sub3; (Lithiumtantalat),
KTiOPO&sub4; (KTP) usw. verwendet werden, in denen ein optischer
Wellenleiter leicht durch Protonenaustausch bei niedriger
Temperatur von ungefähr 200ºC hergestellt werden kann.
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Es ist zu beachten, daß dem Fachmann andere Modifizierungen
erkennbar sind und von ihm leicht ausgeführt werden können,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Demgemäß
soll der Schutzbereich der Erfindung nicht auf die hier
dargelegte Beschreibung begrenzt sein, sondern er soll durch
die beigefügten Ansprüche begrenzt sein.