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DE3220352A1 - Ebene optische schaltung mit einem lichtkoppler und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Ebene optische schaltung mit einem lichtkoppler und verfahren zu ihrer herstellung

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DE3220352A1
DE3220352A1 DE19823220352 DE3220352A DE3220352A1 DE 3220352 A1 DE3220352 A1 DE 3220352A1 DE 19823220352 DE19823220352 DE 19823220352 DE 3220352 A DE3220352 A DE 3220352A DE 3220352 A1 DE3220352 A1 DE 3220352A1
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DE
Germany
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transparent substrate
optical waveguide
circuit according
front surface
gradient lens
Prior art date
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Application number
DE19823220352
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English (en)
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DE3220352C2 (de
Inventor
Noboru Nishinomiya Hyogo Yamamoto
Tetsuya Amagasaki Hyogo Yamasaki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nippon Sheet Glass Co Ltd filed Critical Nippon Sheet Glass Co Ltd
Publication of DE3220352A1 publication Critical patent/DE3220352A1/de
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Description

Ebene optische Schaltung mit einem Lichtkoppler und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine ebene optische Schaltung (optical plane circuit), welche einen in einem transparenten Substrat gebildeten Lichtwellenleiter und einen Lichtkoppler zur Verbesserung der Eingabe- und/oder Ausgabe eines Lichtstrahls in den Lichtwellenleiter bzw. aus diesem heraus umfaßt, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Schaltung.
Auf dem Gebiet optischer Kommunikationssysteme und optischer Informationsverarbeitungssysteme genießt eine ebene optisehe Schaltung, in welcher ein kleiner Lichtwellenleiter mit größerem Brechungsindex al? dem eines transparenten Substrats an der Oberfläche oder innerhalb des Substrats zur Erzielung verschiedener Funktionen ausgebildet ist, bedeutende Beachtung als kleine optische Schaltung. Wenn beispielsweise eine Glasplatte als Substrat verwendet wird, wird bekanntlich ein eingebetteter (buried-type) Lichtwellenleiter erhalten, welcher Ionenaustausch verwendet. Da angenommen wird, daß der Übertragungsverlust des auf diese Weise erhaltenen Lichtwellenleiters nur etwa 0,01 dB/cm beträgt, wird dieser Lichtwellenleiter als vielversprechend angesehen. Wenn aber Ionenaustausch angewandt wird, ist der Querschnitt des Lichtwellenleiters in der Querrichtung größer als in der Vertikalrichtung. Aus diesem Grund wird bei direktem Anschließen einer optischen Faser oder dgl. an den Lichtwellenleiter der Anschlußverlust vergrößert.
* Zur Eingabe und/oder Ausgabe von Licht in eine und/oder aus einer ebenen optischen Schaltung sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Figur 1 zeigt ein Verfahren, welches einen Prismakoppler verwendet. Bei dem in Figur 1 gezeigten Verfahren ist ein Lichtwellenleiter 12 mit einem konstanten oder abgestuften Brechungsindex an der Vorderfläche des Substrats 11 ausgebildet. Prismen 13 und 14- sind an der Oberfläche des Lichtwellenleiters 12 mit zu diesem weisenden Bodenflächen angeordnet. Ein auf das Prisma 13 einfallender Lichtstrahl 15 fällt dann an der Bodenfläche des Prismas 13 auf den Lichtwellenleiter 12 unter einem Winkel θ^ ein, der etwas großer als der Totalreflektionswinkel ist, und pflanzt sich dann innerhalb des Lichtwellenleiters 12 fort. Wenn der Lichtstrahl 15 die Bodenfläche des Prismas 14- erreicht, fällt er auf das Prisma unter einem Winkel 0„ ein und tritt dann nach außen aus.
Figur 2 zeigt ein anderes Verfahren zur optischen Kopplung, welches eine Fokussierstablinse verwendet. Bei dem in Figur 2 gezeigten Verfahren ist ein Ende einer Fokussierstablinse 24 an einer Seitenfläche 23 eines Lichtwellenleiters 21 befestigt, welcher in die Oberflächenschicht eines Substrats 22 eingebettet ist. Die Gesamtlänge der Fokussierstablinse 24- ist so gewählt, daß sie ein ungerades Vielfaches von 1/4. der Lichtwellenlänge beträgt. Das andere Ende 25 der Fokussierstablinse 24· ist senkrecht zur Mittelachse geschnitten und optisch poliert. Ein Lichtstrahl 26 fällt senkrecht auf dieses andere Ende 25 ein. Der Einfallwinkel des Lichtstrahls 26 wird durch eine (nicht gezeigte) Lichtausgabeeinrichtung gesteuert, ohne Veränderungen in der Stellung und Große des Lichtflecks mitsich zu bringen, weicherauf die Seitenfläche des Lichtwellenleiters einfällt.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Verfahren haben aber folgende Nachteile:
a) Da der Lichtwellenleiter und der Lichtkoppler nicht in einem einzigen Substrat ausgebildet sind, ist bei Montage dieser beiden optischen Schaltelemente eine mühsame Präzisionseinstellung aufeinander erforderlich.
b) Der Lichtkoppler ist größer als der Lichtwellenleiter, so daß die Gesamtschaltung nicht kompakt gestaltet werden kann.
c) Wegen der Verbindung zwischen dem Lichtwellenleiter und Lichtkoppler wird ein Verbindungs- oder Anschlußverlust verursacht»
d) Wenn der Querschnitt des Lichtwellenleiters sich weit entlang der Ebene des Substrats erstreckt, wird der Kopplungswirkungsgrad herabgesetzt.
Daher ist ein Gegenstand der Erfindung die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei eine mühsame Präzisionseinstellung eines Lichtwellenleiters auf den Lichtkoppler nicht erforderlich ist.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und ein . Verfahren zu ihrer Herstellung, bei welcher der Lichtkoppler im Vergleich zu einem Lichtwellenleiter nicht groß zu sein braucht, wodurch die Gesamtschaltung kompakt gestaltet werden kann.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und einem Verfahren zu ihrer Herstellung, bei welcher der Anschlußverlust wegen des Anschlusses eines Lichtwellenleiters aneinen Lichtkoppler beseitigt wird.
Noch ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und einem Verfahren zu ihrer Herstellung, bei welcher der Kopplungswirkungsgrad nicht wesentlich verschlechtert wird,
selbst wenn sich der Querschnitt in Querrichtung eines Lichtwellenleiters entlang der Ebene eines Substrats erstreckt. Noch ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, bei welchem die Eingabe und/oier Ausgabe eines Lichtstrahls in einen . und/oder aus einem Lichtwellenleiter mit ausgezeichnetem Wirkungsgrad und mit Leichtigkeit durchgeführt werden kann.
Noch ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, bei welcher eine Vielzahl ebener optischer Schaltblöcke mit Leichtigkeit gekoppelt werden kann.
Noch ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die, Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtwellenleiter und einem Lichtkoppler mit einfachen Verfahrensschritten und Zuverlässigkeit.
. .
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine ebene optische Schaltung mit einem Lichtkoppler geschaffen, in welcher ein Lichtwellenleiter in einem transparenten Substrat ausgebildet ist, welche dadurch gezeichnet ist, daß der Lichtkoppler eine Gradientenlinse umfaßt, die in dem tränsparen-ten Substrat ausgebildet ist und dazu dient, den Eingabe- und/oder Ausgabewirkungsgrad eines Lichtstrahls in den und/oder aus dem Lichtwellenleiter zu verbessern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben, wobei zur Bezeichnung gleicher Teile in verschiedenen Ansichten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer herkömmlichen ebenen optischen Schaltung, welche einen Lichtkoppler mit einem Prisma umfaßt;
■*■ Figur 2 eine schematische Teilseitenansicht einer anderen herkömmlichen ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler, der eine Fokussierstablinse umfaßt;
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer ebenen opti-Sehaltung mit einem Lichtkoppler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur U eine perspektivische Ansicht eines Herstellungs schritts der in Figur 3 gezeigten ebenen optisehen Schaltung mit dem Lichtkoppler;
Figur 5 eine Ansicht der Brechungsindexverteilung der Elemente der in Figur 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung, worin Figur 5A eine Ansicht der Brechungsindexverteilung des Lichtwellenleiters in der Richtung zeigt, welche von der Mittellinie der Oberfläche des Substrats im wesentlichen senkrecht abgeht, Figur '5B das Gleiche bei der Giödientenlinse in der Axialrichtung zeigt und Figur 5C das Gleiche von der Gradientenlinse in der zu ihrer Axialrichtung
senkrechten Richtung zeigt;
Figur 6 eine Draufsicht auf eine Abwandlung der in Figur 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung;
Figur 7 eine Draufsicht auf eine andere Abwandlung der in Figur 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung; Figur 8 " eine Seitenansicht einer ebenen optischen
Schaltung mit einem Lichtkoppler gemäß einer anderen Ausführungsform;
Figur 9 eine perspektivische Ansicht eines Herstellungsschritts der in Figur 8 gezeigten Schaltung;
Figur 10 eine Ansicht der Brechungsindexverteilung der Figur 8 gezeigten Schaltung, worin Figur 1OA die Brechungsindexverteilung des Lichtwellenleiters in Richtung der Dicke (von der vorderen zur hinteren Fläche) des Substrats zeigt und
Figur 10B das Gleiche für die Gradientenlinse in der Axialrichtung zeigt;
Figur 11 eine Seitenansicht einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Figur 12 eine perspektivische Ansicht eines Herstellungs-Schritts der in Figur 11 gezeigten Schaltung; Figur 13 eine Draufsicht auf eine Schaltung gemäß noch
einer anderen Ausführungsform; Figur 14. eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispxel der Verbindung von zwei ebenen optischen Schaltungen mit Lichtkopplern; und
Figur 15 eine Draufsicht auf eine ebene optische Schaltung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.
Eire Ausführungsform einer ebenen optischen Sehaltung mit einem Lichtkoppler wird anhand der Figuren 3'bis 5 beschrieben. Die ebene optische Schaltung mit einem Lichtkoppler , der eine in Figur 3 gezeigte Gradientenlinse umfaßt, wird durch ein Verfahren hergestellt, das den in Figur 4- gezeigten Verfahrensschritt umfaßt.
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In Figur 4· ist eine Maske 33 mit einer Öffnung 32 einer gewissen Gestalt an der Oberfläche eines transparenten Substrats 31 ausgebildet, welches aus einer dielektrischen Substanz wie beispielsweise Glas oder Kunstharz besteht. Die Gestalt der Öffnung 32 ist'ein lineares Muster, ein gekrümmtes Muster oder eine Kombination des linearen und gekrümmten Musters und verläuft als Band schmaler, im wesentlichen konstanter Breite. Ein kreisförmiges Fenster oder Loch 34- ist in der Nachbarschaft des Abschlußendes der Öffnung 32 ausgebildet. Das Loch 34 braucht nicht an das Abschlussende der Öffnung 32 anzugrenzen. Der Abstand zwischen dem Loch 34- und dem Abschlußende der Öffnung 32 kann frei gewählt werden je nach der Größe und der benötigten Funktion einer Gradientenlinse (graded index type lens). Ferner braucht das Loch 34· nicht rund zu sein, sondern kann eine Blockgestalt wie beispielsweise eine elliptische Gestalt haben, je nach der benötigten Gestalt der Gradientenlinse.
In dem nächsten Schritt werden Ionen von einer Diifusionsquelle 35 durch die bandförmige öffnung 32 und das Loch 34· in das Substrat 31 diffundiert, wodurch eine vorbestimnte Brechungsindexverteilung in dem Substrat 31 hergestellt wird, welche unten beschrieben wird.
Die Figuren 5A, 5B und 5C zeigen Beispiele für die Brechungsindexverteilungen der Schaltungselemente der in Figur 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung. Figur 5A zeigt die· Brechungsindexverteilung eines Lichtwellenleiters
36 von Bandform in der'Richtung, die von einer Mittellinie
37 der Oberfläche des Lichtwellenleiters 36 im wesentlichen senkrecht abgeht. In Figur 5A nimmt der Brechungsindex allmählich in quadratischer Näherung ab, um eine insgesamt bogenförmige Verteilung zu bilden. Der Brechungsindex verändert sich nicht entlang der z-Achse entlang der Mittellinie 37.
Figur 5B zeigt die Brechungsindexverteilung einer Gradientenlinse entlang ihrer Axialrichtung (x-Achse oder die Rich tung der Dicke des Substrats 31) der in Figur 3 gezeigten Schaltung. Der Brechungsindex nimmt in->quadratiseher Näherung allmählich ab von einer Vorderfläche 31a zu einer Rückfläche 31b des Substrats 31 und bildet eine insgesamt bogenförmige Verteilung.
Figur 5C zeigt die Brechungsindexverteilung der Gradientenlinse der in Figur 3 gezeigten Schaltung, i.in der zur oben beschriebenen Axialrichtung senkrechten Richtung (die Brechungsindexverteilung an einem beliebigen Punkt x~ auf der x-Achse entlang den y- und z-Achsen). Der Brechungsindex nimmt in quadratischer Näherung allmählich ab in der von der Achse abgehenden Richtung und bildet eine insgesamt halbkreisförmige Verteilung.
Die vorgeschriebenen Brochungsindexverteilungen durch Diffusion der Ionen von der Diffussionsquelle 35 in dem Substrat 31 können durch die nachfolgend beschriebenen Verfahren erhalten werden.
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Gemäß dem ersten Verfahren wird ein transparentes Substrat 31 aus einer Glasplatte vorbereitet, die Ionen eines ersten Elements enthält, welches in der Lage ist, ein modifiziertes Oxydglas (modified oxideglass) zu bilden. Dann werden Ionen eines zweiten Elements in das transparente Substrat 31 diffundiert, welches zur Erhöhung des Brechungsindex in der Glasplatte mehr beiträgt als die Ionen des ersten Elements, und welches auch in der Lage ist, ein modifiziertes Oxydglas zu bilden, wodurch die Ionen des ersten EIements durch die des zweiten Elements ersetzt werden. Gemäß dem zweiten Verfahren wird ein transparentes Substrat eines Kunstharzes vorbereitet, welches ein transparentes Polymer ist. Ein Monomer, welches zur Copolymerisation mit diesem transparenten Polymer fähig ist, um den Brechungsindex zu erhöhen, wird in das transparente Substrat 31 diffundiert, um eine Copolymerisation des Monomers mit dem transparenten Polymer zu verursachen.
Wenn das transparente Substrat 31 ein optisches Glas "BK-7" ist (68,9 Gew. % SiO3, 10,1 Gew;# B2°3' 8'8 Gew-$ Na3O,'8,4. Gew.% KpO und 2,8 Gew.% BaO), kann gemäß dem ersten Verfahren die Diffusionsquelle 35 eine geschmolzene Salzmischung sein, die aus 30 Mol % Tl3SO,, φ Mol % ZnSO, und 30 Mol % KpSO, besteht. Gemäß dem zweiten Verfahren kann die Diffusionsquelle 35 ein Vinylbenzoat-Monomer sein, wenn das transparente Substrat 31 ein Substrat ist, welches durch Hinzufügen von 30 Gew.% Benzoyl-peroxid zu dem Allyl-Diglycol-Carbonatharz (sogenannten CR-39) vorbereitet und die Mischung zur Semipolymerisation erhitzt wird. Da diese Verfahren wohlbekannt sind, werden sie nicht weiter beschrieben.
Wenn parallele Lichtstrahlen39 parallel zu der Vorderfläche 31a des Substrats 31 auf eine Seitenfläche der Gradientenlinse 38 der in Figur 3 gezeigten Schaltung einfallen, werden sie durch die Linse 38 fokussiert und treten an der gegenüberliegenden Seitenfläche aus. Die fokussierten Lichtstrahlen fallen dann auf den bandförmigen Lichtwellenleiter 36 ein. Verschiedene Abwandlungen können durch Wahl der Größe und des Brechungsindexgradienten der Linse 38 vorgenommen werden.
Figur 6 ist eine Draufsicht, die eine Abwandlung der in Figur 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung zeigt. In der in Figur 6 gezeigten Schaltung ist die Gradientenlinse 38 nahe dem Lichtwellenleiter 36 im Abstand von diesen ausgebildet. Ferner ist die Gradientenlinse 38 größer als die in Figur 3 gezeigte. In Figur 6 werden zerstreute Lichtstrahlen 61 von einer kleinen Lichtquelle wie beispielsweise einem Halbleiterlaser oder einer LED oder von einer optischen Faser oder dgl. auf den Lichtwellenleiter 36 mit gutem Wirkungsgrad fokussiert.
Figur 7 ist eine Draufsicht, die eine andere Abwandlung der in Figur 3 gezeigten ebenen optischen Schaltung zeigt. In der in Figur 7 gezeigten Schaltung ist der Durchmesser der Gradientenlinse 38 größer als der Durchmesser der in Figur 3 gezeigten Linse. In Figur 7 werden Lichtstrahlen 71, die sich innerhalb des Lichtwellenleiters 36 fortpflanzen, durch die Gradientenlinse 38 mäßig fokussiert und bilden einen Strahlfleck auf einer Lichtempfangseinrichtung 72 wie beispielsweise einer optischen Faser oder einem Fotodetektor, die außerhalb der Schaltung angeordnet ist.
Anhand der Figuren 8 bis 10 wird nun eine andere Ausführungsformeiner ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler beschrieben. Die Schaltung mit einem Lichtkoppler, der die in Figur 8 gezeigte Gradientenlinse aufweist, wird nach einem Verfahren hergestellt, das den in Figur 9 gezeigten
Schritt umfaßt. In dieser Schaltung sind die Gradientenlinse und der Lichtwellenleiter innerhalb des Substrats eingebettet (buried).
Wie anhand von Figur 4- beschrieben, wird in dem in Figur gezeigten Schritt die Maske 33 an der Oberfläche des transparenten Substrats 31 ausgebildet. Ion.en eines Elementes werden von der Diffusionsquelle 35 durch die Öffnung 32 und das Loch 34· diffundiert, um den Lichtwellenleiter 36 und die Gradientenlinse 38 zu bilden. Die Maske 33 wird durch Polieren oder Auflösen entfernt. Ionen von einer anderen Diffusionsquelle 81 werden durch die Vorderfläche 3,1a des Substrats 31 diffundiert, wie in Figur 9 gezeigt, welche die Brechungsindizes des Lichtwellenleiters 36 und der Gradientenlinse 38 auf den Brechungsindex des transparenten Substrats 31 vermindern. Dann sind der Lichtwellenleiter 91 und die Gradientenlinse 92 innerhalb des Substrats 31 eingebettet oder vergraben.
Die Figuren 1OA und 1OB zeigen Beispiele für die Brechungsindexverteilungen von Schaltungselementen der auf diese Weise hergestellten Schaltung in Figur 8. Figur 1OA zeigt die Brechungsindexverteilung des Lichtwellenleiters 91 der in Figur 8 gezeigten Schaltung in der Richtung von der Vorderfläche 31a zu der Rückfläche 31b des Substrats 31.· Der Brechungsindex nimmt von der Vorderfläche 31a zu der Rückfläche 31b allmählich zu und'nimmt dann von einer Bezugsachse 93 ab und bildet eine insgesamt halbkreisförmige Verteilung. Andererseits zeigt Figur 1OB die Brechungsindexverteilung der in Figur 8 gezeigten Schaltung in der Axialrichtung der Gradientenlinse 92 (x-Achse oder die Richtung der Dicke des Substrats 31). Der Brechungsindex nimmt zuerst von der Vorderfläche 31a zu der Rückfläche 31b des transparenten Substrats 31 zu und nimmt dann von der Bezugsachse 93 ab und bildet eine halbkreisförmige Gesamtverteilung. Die Brechungsindexverteilung in der zur Achse der Gradientenlinse 92 senkrechten Richtung ist ähnlich der in
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Figur 5C gezeigten.
Anhand der Figuren 11 und 12 wird nun noch eine andere Ausführungsform einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler beschrieben. Die Schaltung mit einem Lichtkoppler, der eine Gradientenlinse aufweist, wie in Figur 11 gezeigt, wird durch ein Verfahren hergestellt, das_ einen in Figur 12 gezeigten Schritt umfaßt. Wie in der 41IgUr 8 gezeigten Schaltung sind bei der in Figur 11 gezeigten Schaltung die Linse und der Wellenleiter in dem Substrat eingebettet.
In dem in Figur 12 gezeigten Schritt werden der Lichtwellenleiter 36 und die Gradientenlinse 38 innerhalb des transparenten Substrats 31 auf die anhand von Figur U beschriebene Art gebildet. Danach wird die Maske 33 durch Polieren oder Auflösen entfernt. Dann werden Masken 111 und 112, die ähnliche Formen wie die Öffnung 32 und das Loch 34- der Maske 33 aufweisen, an der Vorderfläche 31a des Substrats 31 in Ausrichtung auf den Lichtwellenleiter 36 und die Gradientenlinse 38 gebildet. Ionen von der Diffusionsquelle 81, welche dazu dienen, die Brechur^gsindizes des Lichtwellenleiters 36 und der Gradientenlinse 38 auf den Brechungsindex des transparenten Substrats 31 zu vermindern, werden in das Substrat 31 von seiner Vorderfläche 31a aus diffundiert. Da die Ionen auch zu den Rückseiten der Masken 111 und 112 diffundiert werden, werden ein Lichtwellenleiter 121 und eine Gradientenlinse 122 innerhalb des transparenten Substrats 31 eingebettet (vergraben).
Die auf diese Weise hergestellten Elemente der in Figur 11 gezeigten Schaltung weisen Brechungsindexverteilungen halbkreisförmiger Gestalt nahe quadratischer Annäherung auf, welche den in Figur 1OA und 1OB gezeigten ähnlich sind.
Die Verteilungen der in Figur 11 gezeigten Schaltung sind symmetrischer als die in den Figuren 10A und 10b gezeigten.
Wenn das transparente Substrat 31 in den in den Figuren 4·, 9 und 12 gezeigten Schritten eine Glasplatte ist, kann eine Ionentauschbehandlung unter Anwendung eines elektrischen Feldes durchgeführt werden, um auf diese Weise den Lichtwellenleiter und die Gradientenlinse tiefer unter der Vorderfläche des Substrats zu vergraben, die für die Ionenaustauschbehandlung benötigte Zeit zu verkürzen oder eine Brechungsindexverteilung der gewünschten Gestalt zu erhalten.
In den in den Figuren 3, 8 und 11 gezeigten Ausführungsformen ist in dem transparenten Substrat 31 nur eine Gradientenlinse ausgebildet. Es können aber auch zwei oder mehr Gradientenlinsen gebildet werden. Figur 13 zeigt eine ebene optische Schaltung mit einem Lichtkoppler gemäß noch einer anderen Ausführungsform, bei welcher mehr als eine
/Bei Gradientenlinse gebildet werden/ der in Figur 13 gezeigten Schaltung werden eine Gradientenlinse 131a mit großer numerischer Öffnung und eine andere Gradientenlinse 131b mit kleiner numerischer Öffnung durch Veränderung der Größe des Loches 34- oder dgl. gebildet. Aus diesem Grund können unter großem Einfallswinkel OL auf die Linse einfallende Lichtstrahlen 132 in Lichtstrahlen mit kleinem Einfallswinkel O^ ρ umgewandelt werden, welche dann in den Lichtwellenleiter 36 einfallen.
Figur 14· zeigt ein Beispiel für die Verbindung ebener optischer Schaltungen 14-1 und 14.2. Wenn in Figur 14- die Lichtkopplung zwischen Gradientenlinsen 38a und 38b an einer flachen Nahtstelle 143 durch parallele Lichtstrahlen 14-4-bewerkstelligt wird, kann die genaue Einstellung aufeinander leicht erzielt werden, was zu kleinem optischen' Ver- · lust führt. In Figur 14· sind mit den Bezugszeichen 36a und 36b Lichtwellenleiter bezeichnet.
Figur 15 zeigt eine ebene optische Schaltung mit eimern Lichtkoppler gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mehrere Gradientenlinsen und Lichtwellenleiter in einem einzigen Substrat aufweist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind bei einem der Lichtwellenleiter 36 die Gradientenlinsen 38 an beide Ende angeschlossen, wogegen bei anderen Lichtwellenleitern 36 die Gradientenlinsen 38 nur an je ein Ende angeschlossen sind, während die anderen Enden der Wellenleiter mit den anderen Lichtwellenleitern 36 ver- IQ bunden sind. In Figur 15 können·die Größen, die Funktionen und relative Stellungen der Gradientenlinsen, ferner die Formen der Lichtwellenleiter usw. willkürlich mit hoher Präzision gewählt werden mittels Masken verschiedener For-
womit . ι ι τ _i_ j_ · τ ι men, ve eine hohe Integration zugelassen wird.
Obwohl Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen anhand der Zeichnungen beschrieben worden sind, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist, und daß verschiedene Veränderungen und Ab-Wandlungen von einem Fachmann daran vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und dem Rahmen der Erfindung abzuweichen, welche durch die Ansprüche definiert sind.
)er Patentanwalt
Leerseite

Claims (33)

NIPPON SHEET GLASS CO., LTD. 8, 4-chome, Dosho-machi, Higashi-ku, Osaka / Japan Ansprüche:
1. Ebene optische Schaltung mit einem Lichtkoppler, in welcher ein Lichtwellenleiter in einem transparenten Substrat ausgebildet ist, wobei der Lichtkoppler den Eingangs- und/oder Ausgangswirkungsgrad eines Lichtstrahls in den und/oder aus dem Lichtwellenleiter verbessert, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtkoppler eine Gradientenlinse (38,38a,38b,92,122,131a,131b) umfaßt, die in dem transparenten Substrat (31) ausgebildet ist.
2. Schaltung nach Anspruch Λ. dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens entweder der Lichtwellenleiter (36,36a,36b) oder die Gradientenlinse (38,38a,38b,131a,131b) zu einer Vorderfläche (31a) des transparenten Substrats (31) freiliegt.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens entweder der Lichtwellenleiter (91, 121) oder die Gradientenlinse (92, 122) in das transparente Substrat (31) eingebettet ist, so daß dieser bzw. diese nicht zu einer Vorderfläche (31a) desselben freiliegt.
4· Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (36,36a,36b) ein schmales Band von im wesentlichen konstanter Breite umfaßt, von der Vorderfläche (31a) des transparenten Substrats (31) betrachtet.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4·» dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (36, 36a, 36b, 91» 121) ein lineares Muster umfaßt, von der Vorderfläche (31a) des transparenten Substrats (31) betrachtet.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4·» dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (36,36a,36b,91,121) ein gekrümmtes Muster umfaßt, von der Vorderfläche (31a)
des transparenten Substrats (31) betrachtet.
7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4·» dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (36,36a,36b,91,121) eine Kombination eines linearen Muster und eines gekrümmten Musters umfaßt, von der Vorderfläche (31a) des transparenten Substrats (31) betrachtet.
8. Schaltung nach 'einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38,38a,38b,92,122,
131a,131b) kreisförmig ist, von der Vorderfläche (31a) des
transparenten Substrats (31) betrachtet.
9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38,38a,38b,92,122,
131a,131b) elliptisch ist, von der Vorderfläche (31a) des
transparenten Substrats (31) betrachtet.
10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38,38a,38b,92,122
131a,131b) angrenzend an ein Ende des Lichtwellenleiters
(36,36a,36b,91,121) ausgebildet ist.
11.Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38,) nahe einem
Ende des Licht-wellenleiters (36) in einem vorbestimmten
Abstand zu diesem ausgebildet ist.
^ 12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4- bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (36,36a, 36b)an der Vorderfläche (31a) des transparenten Substrats (31) freiliegt und der Brechungsindex des Lichtwellenleiters (36,36a,36b) in einer Richtung, die senkrecht von einer Mittellinie (37) der Vorderfläche (31a) abgeht, kontinuierlich mit quadratischer Näherung abnimmt.
13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4- bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38,38a, 38b,31a,131b) zu der Vorderfläche (31a) des transparenten Substrats (31) freiliegt und der Brechungsindex in einer Axialrichtung der Gradientenlinse kontinuierlich abnimmt mit quadratischer Näherung von der Vorderfläche (31a) zu einer Rückfläche (31b) des transparenten Substrats (31).
14. Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4- bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß di-e Gradientenlinse (38,38a, 38b,131a,131b) zu der Vorderfläche (31a) des transparenten Substrats (31) freiliegt und der Brechungsindex in einer Richtung senkrecht zur Achse der Gradientenlinse (38,.38a, 38b,131a,131b) kontinuierlich abnimmt mit quadratischer Näherung in einer von der Achse abgehenden Richtung,um eine halbkreisförmige Gesamtverteilung zu bilden.
15. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (91, 121) innerhalb des transparenten Substrats (31) unterhalb der Vorderfläche (31a) eingebettet ist und der Brechungsindex des Lichtwellenleiters (91, 121) in einer Richtung von der Vorderfläche (31a) zur Rückfläche (31b) des transparenten Substrats zuerst kontinuierlich zunimmt und dann abnimmt, um eine halbkreisförmige Gesamtverteilung zu bilden.
16. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, 14- und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (92,122) innerhalb des transparenten Substrats (31) unterhalb von
dessen Vorderfläche (31a) eingebettet ist und der Brechungsindex in der Axialrichtung der Gradientenlinse (92,122) zuerst kontinuierlich zunimmt und dann abnimmt, um die insgesamt halbkreisförmige Verteilung zu bilden. 5
17. · Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und 14. bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (92, 122) innerhalb des transparenten Substrats (31) unterhalb von dessen Vorderfläche (31a) eingebettet ist und der Brechungsindex in einer Richtung senkrecht zur Achse der Gradientenlinse (91,122) kontinuierlich in quadratsicher Näherung abnimmt von der Achse weg, um die halbkreisförmige Gesamtverteilung zu bilden.
18. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Lichtwellenleitern in dem transparenten Substrat (31). ausgebildet ist.
19. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis $8,dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der Gradientenlinsen (38,38a,38b,131a,131b) in dem transparenten Substrat (3I) ausgebildet ist.
20. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 19» dadurch gekennzeichnet, daß eine erste-Gradientenlinse (131b) .benachbart einem Ende des Lichtwellenleiters (36) ausgebildet ist und eine zweite Gradientenlinse (131a) benachbart einer Seite der ersten Gradientenlinse (131b) ausgebildet ist, welche deren anderer Seite gegenüberliegt, die an das eine Ende des Lichtwellenleiters (36) angrenzt.
21. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gradientenlinse (131b) größer ist als die zweite Gradientenlinse (131a).
22. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Lichtwellenleiter (36)
in dem transparenten Substrat (31) ausgebildet ist und jedes Ende jedes Lichtwellenleiters (36) den Linsen (38) oder einem anderen der Lichtwellenleiter (36) benachbart ist.
5
23. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Lichtwellenleiters (36,36a,36b,91,121) in seiner Längsrichtung der gleiche bleibt.
24-. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 23»-dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der transparenten Substrate (31), jedes von denen die Lichtwellenleiter (36a,36b) und die Gradientenlinsen (38a, 38b) aufweist, durch Aneinandersetzen von gegenüberliegenden Seitenflächen derselben miteinander gekoppelt sind, um Nahtstellen (143) zwischen ihnen zu bilden, und ein Paar der Gradientenlinsen (38a, 38b) über jede der Nahtstellen (1Λ3) einander gegenüberliegen.
.
25· Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 24-, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Substrat ein Glassubstrat umfaßt, das Ionen eines ersten Elements enthält, welches in der Lage ist, ein modifiziertes Oxydglas zu bilden, und daß der Lichtwellenleiter (36,36a,36b,91,121) und die Gradientenlinse (38,38a,38b,92,122,131a,131b) einen Bereich umfaßt, in welchem durch Diffusion Ionen des ersten Elements durch Ionen eines zweiten Elements ersetzt werden, wobei die Ionen des zweiten Elements eine größere Tendenz haben als die Ionen des ersten Elements, den Brechungsindex
/ in
der Glasplatte zu erhöhen, uni der Lage sind, ein modifiziertes Glasoxyd zu bilden.
26. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 25» dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Substrat (31) eine Kunstharzplatte eines transparenten Polymers umfaßt, und daß der Lichtwellenleiter (36,36a,36b,91,121) und die
Gradientenlinse (38,38b,92,122,131a,131b) einen Bereich umfaßt, der gebildet ist durch Diffundieren eines Monomers, welches zu einer Copolymerisation mit dem Polymer in der Lage ist, um dessen Brechungsindex zu erhöhen, und durch Copolymerisieren des Monomers mit dem Polymer.
27. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenlinse (38,38a,38b,92,122, 131,131b) benachbart einer Seitenfläche des transparenten Substrats (31) ausgebildet ist.
28. Verfahren zur Herstellung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler, bei welchem eine Diffusionsmaskenschicht vorbestimmter Gestalt mit einer bandförmigen Öffnung an einer Vorderfläche eines transparenten Substrats gebildet wird und eine Diffusionsquelle, welche zur Erhöhung des Brechungsindex in dem transparenten Substrat (31) beiträgt, durch die Diffusionsmaskenschicht diffundiert wird und dadurch in dem transparenten Substrat ein Lichtwellenleiter gebildet wird, der einen Bereich umfaßt, in . welchen die Diffusionsquelle durch die bandförmige Öffnung diffundiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein blockförmiges Loch (3Λ) in der Diffusionsmaskenschicht (33) derart gebildet wird, daß es einem Ende der bandförmigen Öffnung (32) benachbart ist, und eine Gradientenlinse (38,38a,38b, 131a, 131b) in dem transparenten Substrat (31) gebildet ist, um als der Lichtkoppler zu wirken, wobei der Lichtkoppler einen Bereich umfaßt, in welchen die Diffusionsquelle (35) durch das Loch (34) diffundiert wird, und den Eingangs- und/oder Ausgangswirkungsgrad eines Lichtstrahls (39» 61,71,14-4) in den Lichtwellenleiter (36, 36a,36b) und/oder aus diesem heraus verbessert.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Substrat (31) eine Glasplatte umfaßt, die Ionen eines ersten Elements enthält, welches in der Lage ist, ein modifiziertes Glasoxyd zu bilden, und daß die
Diffusionsquelle (35) Ionen eines zweiten Elements enthält, welches dazu beiträgt, den Brechungsindex der Glasplatte mehr als die Ionen des ersten Elements zu erhöhen, und welches in der Lage ist, ein modifiziertes Oxydglas zu bilden.
30. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, . daß das transparente Substrat (31) eine Kunstharzplatte aus einem transparenten Polymer umfaßt, und daß die Diffusionsquelle ein Monomer enthält, welches mit dem Polymer copolymerisiert, um dessen Brechungsindex zu erhöhen.
31. Verfahren zur Herstellung einer ebenen optischen Schaltung mit einem Lichtkoppler, bei welchem eine erste Diffusionsmaskenschicht vorbestimmter Form mit einer bandförmigen Öffnung auf der Vorderfläche eines transparenten Substrats gebildet wird, eine erste Diffusionsquelle, welche zur Erhöhung des Brechungsindex in dem transparenten Substrat beiträgt, durch die erste Diffu.sionsmaskenschicht diffundiert wird, die erste Diffusionsmaskenschicht von dem transparenten Substrat entfernt wird und eine zweite Diffu-' sionsquelle, welche zur Verminderung des Brechungsindex des transparenten Substrats beiträgt, in einen relativ
flachen Bereich des transparenten Subtrats diffundiert wird, wodurch darin ein Lichtwellenleiter gebildet wird, welcher dem Bereich entspricht,· in welchem die ers-fce Diffusionsquelle durch die bandförmige Öffnung hindurch diffundiert wird und welcher in dem transparenten Substrat unterhalb der Vorderfläche eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein bloekförmiges Loch (34·) in der ersten Diffusionsmaskenschicht (33) so gebildet wird, daß es einem Ende der bandförmigen Öffnung (32) benachbart ist und eine Gradientenlinse (92, 122) zur Wirkung als der Lichtkoppler in dem transparenten Substrat (31) gebildet wird, wobei die Gradientenlinse dem Bereich entspricht, in welchem die erste Diffusionsquelle (35) durch das blockförmige Loch (34·) diffundiert wird und ferner in dem transparenten Substrat (31) unterhalb dessen Vorderfläche (31a) einge-
bettet ist sowie den Eingangs- und/oder Ausgangswirkungsgrad eines Lichtstrahl in den und/oder aus dem Lichtwellenleiter (91» 122) verbessert.
32. Verfahren nach Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet,' daß auf dem transparenten Substrat (31) eine zweite Maskenschicht gebildet wird mit einem bandförmigen Maskenabschnitt (111), dessen Gestalt der bandförmigen Öffnung (32) im wesentlichen gleich oder ähnlich ist, sowie mit einem blockförmigen Maskenabschnitt (112), dessen Gestalt dem blockförmigen Loch (3Λ) gleich oder ähnlich ist, und daß die zweite Diffusionsquelle (81) durch die zweite Maskenschicht (111, 112) hindurch in das transparente Substrat (31) diffundiert wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29» 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Substrat (31) eine Glasplatte umfaßt, und daß Ionen von der Diffusionsquelle (35, 81) in das transparente Substrat (31) diffundiert werden, während ein elektrisches Feld angelegt wird, um auf diese Weise die Diffusion der Ionen zu beschleunigen.
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