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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Prüfen
optischer Wellenleiter, mit einem Prisma, das auf dem zu
untersuchenden optischen Wellenleiter angeordnet werden
soll, einem Punkt, an welchem eintreffendes Licht in die
Vorrichtung eintritt sowie mit einer Steuereinrichtung zum
Ändern des Winkels von Licht, das zu dem Prisma von dem
Eintrittspunkt des eintreffenden Lichtes gerichtet ist.
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Die Prismakopplung ist eines der bekanntesten Verfahren zum
Testen integrierter optischer Schaltkreise und Strukturen
und wird verwendet im Zusammenhang mit Verfahren zur
Bestimmung der effektiven Brechungsindices und der Dicken
von Wellenleitern mittels der Struktur der sich im
Wellenleiter ausbreitenden Lichtmoden. Diese Technik ist in
der Mitteilung von Tien, P. K., Ulrich, R. und Martin, R.
J.: Modes of propagating light waves in thin deposited
semiconductor films, Applied Physics Letters 14 (1969) 9,
Seiten 291-294 beschrieben. Die Prismakopplung ist auch
bei der Messung der Verteilungen sich ausbreitender Moden
und ihrer Abschwächung in den Strukturen erforderlich.
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Die Veröffentlichung US-A-4 692 024 offenbart ein
Refraktometer mit einem elliptischen Spiegel, wobei ein
rotierender Spiegel an seinem ersten Brennpunkt und ein
Halbzylinder am zweiten Brennpunkt zentriert ist. Die
Anordnung macht nicht Gebrauch von den Eigenschaften eines
optischen Wellenleiters und zeigt auch keine
Prismakopplung.
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Die Vorrichtung mit der der Test ausgeführt wird, weist
eine Lichtquelle, beispielsweise einen Laser, auf, ein
Prisma, dessen nicht abgeschrägte Ecke der einfallende
Lichtstrahl unter einem gewünschten Winkel zugeführt wird
und eine Meßanordnung, wie beispielsweise einen
Lichtdetektor und eine CCD-Kamera, die senkrecht zum
Wellenleiter angeordnet ist. Das Licht muß dem Prisma unter
einem charakteristischen Winkel zugeführt werden,
entsprechend einer der sich ausbreitenden Moden im
Wellenleiter. Dies erfordert von der Vorrichtung, daß die
Lichtquelle bezüglich des Prismas drehbar sein muß,
beispielsweise mittels eines Goniometers. Da die
Lichtquelle oftmals relativ breit ist, werden hinsichtlich
ihrer präzisen Positionierung hohe Anforderungen an die
Mechanik der Vorrichtung gestellt, wodurch diese einen
großen Raumbedarf aufweist und nicht an verschiedene
Geometrien angepaßt werden kann.
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Zweck der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu
vermeiden und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mittels derer
die Positionierung in einfacher Weise durchgeführt werden
kann, mit einer leichten Austauschbarkeit der Lichtquellen.
Um dies zu verwirklichen, besteht die grundlegende Idee der
Erfindung darin, daß die Steuereinrichtung einen Spiegel
aufweist, wobei der Querschnitt der Reflektionsfläche des
Spiegels in der Einfallswinkel-Veränderungsebene die Form
einer Ellipse aufweist, sowie einen Spiegel, der um eine
Achse senkrecht zu der Veränderungsebene drehbar ist und
der im ersten Brennpunkt der Ellipse und des Prismas
angeordnet ist und dessen Querschnitt in der
Veränderungsebene ein Kreissektor ist, wobei er mit seiner
Ecke im zweiten Brennpunkt derselben Ellipse positioniert
ist. Der Punkt, an dem das Licht aus der Lichtquelle zum zu
prüfenden Wellenleiter mittels der oben erwähnten Spiegel
gerichtet wird, kann dadurch innerhalb der Vorrichtung
konstant gehalten werden, während der Winkel, unter dem das
Licht in das Prisma eintritt, durch Verdrehen des drehbaren
Spiegels im Brennpunkt der Ellipse um eine Achse senkrecht
zu der Ebene, in welcher der Winkel variiert wird,
verändert werden kann. Da der Punkt des drehbaren Spiegels,
auf den das Licht gerichtet wird, im Brennpunkt der Ellipse
angeordnet ist, wird der auf den elliptischen Spiegel
auftreffende Lichtstrahl immer genau zu dem anderen
Brennpunkt der gleichen Ellipse reflektiert, an der die
Kopplungsecke des Prisma in der Prismakopplung angeordnet
ist. Die dreidimensionale Gestalt des Spiegels weist noch
weitere, weiter unten beschriebene Funktionen auf.
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Da die Optiken der Vorrichtung hauptsächlich reflektierend
sind, ist die Vorrichtung auch unabhängig von der
Wellenlänge des Lichts, sodass unterschiedliche
Lichtquellen ohne Einstellarbeiten verwendbar sind.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die
Vorrichtung mit der Lichtquelle mittels einer optischen
Faser verbunden werden. Die Verbindungsstelle kann dann
exakt bezüglich des Spiegels auf Dauer festgelegt werden,
sodass keine Einstellung der Lichtquelle in der Anordnung
zur Prismakopplung vor den Messungen notwendig ist.
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Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist
die Vorrichtung Manipulatoren auf, wie z. B. eine
Mikrometerschraube, einen linearen Gleichstrommotor, einen
Schrittmotor oder einen piezoelektrischen Manipulator, die
dazu dienen, den Wellenleiter und das Prisma, das darauf
angeordnet ist, senkrecht zur Richtung des Strahls des
eintreffenden Lichts derart zu bewegen, daß die Ecke des
Prismas im zweiten Brennpunkt der Ellipse verbleibt. Der
Vorteil dieser Anordnung ist, daß ein größerer Bereich des
Wellenleiters geprüft werden kann. Zusätzlich können
weitere Steuerungen in der Vorrichtung vorgesehen sein, mit
denen der Wellenleiter an Stellen angeordnet werden kann,
die für die Abbildung des Wellenleiters relevant sind.
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Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen im
Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung beschrieben; es
zeigen
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Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung senkrecht zur der
Verdrehebene der Lichtstrahlen,
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Fig. 2 ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung,
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Fig. 3 eine Alternative des in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiels,
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Fig. 4 eine Alternative des in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsbeispiels,
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Fig. 5 die Reflektion von Lichtstrahlen gemäß einer
Alternative, und
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Fig. 6 einige Positionieralternativen für den
Wellenleiter.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist ein
zylindrisches Prisma 2 auf, welches auf einem zu
untersuchenden Wellenleiter 1 angeordnet ist, sodass ein
Luftspalt gewünschter Breite zwischen der unteren Fläche
des Prismas und der oberen Fläche des Wellenleiters
besteht. Das Prisma wird dabei auf herkömmliche Art und
Weise positioniert. Ein von einer Lichtquelle ausgesandter
Lichtstrahl 6 durchsetzt in Richtung des Pfeiles A eine
schmale Öffnung, beispielsweise eine Nadelöffnung oder
einen Schlitz 7 in Richtung zur Fokussieroptik 8 und
gelangt von da durch eine entsprechende zweite Öffnung 9 zu
einem verdrehbaren, ebenen Spiegel 4. Eine zweite Öffnung
kann auch nach dem Spiegel vorgesehen sein, um eine
Ausrichtung der Vorrichtung zu erleichtern. Der Spiegel ist
im Brennpunkt F1 einer Ellipse angeordnet, welche durch
einen elliptischen Spiegel 3 dergestalt gebildet wird, daß
die Drehachse des Spiegels exakt im Brennpunkt angeordnet
ist. Ein Verdrehen des ebenen Spiegels bewirkt, daß der von
der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahl, welcher die
Fokussieroptik durchsetzt, ebenfalls im Brennpunkt F1
auftrifft und bei Verdrehen mit unterschiedlichen Winkeln
in verschiedene Stellungen von der Oberfläche des
elliptischen Spiegels 3 mit unterschiedlichen Winkeln
reflektiert wird zum anderen Brennpunkt der Ellipse F2, an
dem die nicht abgeschrägte Ecke des zylindrischen Prismas 2
angeordnet ist. Die den einfallenden Lichtstrahlen
zugewandte Fläche des Prismas weist die Form eines
Zylindersektors auf, dessen Krümmungsmittelpunkt im zweiten
Brennpunkt F2 liegt. Diese Gestalt und diese Anordnung des
zylindrischen Prismas ermöglicht, daß die Vorrichtung
unabhängig von der Wellenlänge in der Ausrichtung, in der
Einstellung und während des Betriebes der Vorrichtung ist.
Das zylindrische Prisma kann einstückig hergestellt sein
oder durch Hinzufügen eines Teils auf der geraden Seite
eines gewöhnlichen Prismas erhalten werden, wobei die
Außenseite dieses Teils die Gestalt einer
Zylinderoberfläche aufweist.
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Die Projektion der reflektierenden Oberfläche des
elliptischen Spiegels 3 in der Ebene, in der der Winkel des
einfallenden Lichts verändert wird, muß die Form einer
Ellipse aufweisen. Gemäß einem alternativen
Ausführungsbeispiel ist die reflektierende Fläche in einer
Ebene senkrecht zur Hauptachse der Ellipse gerade, wodurch
der Spiegel besonders einfach herstellbar ist. Der
Lichtstrahl kann dadurch aufgeweitet werden auf eine
vorgegebene Fläche. Alternativ kann der Spiegel ein
Ellipsoid gemäß Fig. 5 sein, wobei die reflektierende
Oberfläche in diesem Fall die Gestalt eines Bogens in
dieser Ebene aufweist, wodurch der Lichtstrahl in einem
Punkt fokussiert wird. Die Oberfläche des ellipsoidförmigen
Spiegels weist dann die Gestalt eines Rotationskörpers auf,
der erhalten wird durch Rotation der Ellipse um ihre
Hauptachse. Fig. 5 zeigt, daß die Reflektion schematisch
auf eine Ebene senkrecht zur optischen Achse erfolgt. Der
Lichtstrahl von der Lichtquelle durch die Fokussieroptik
wird beim Reflektieren in einen divergierenden Strahl
aufgeweitet (übertrieben in der Figur zur besseren
Darstellung gezeigt) und zwar vom drehbaren Spiegel 4 zur
reflektierenden Oberfläche des Spiegels 3. Da der
Brennpunkt in der Mitte eines Kreises liegt, dessen
Kreisbogen die reflektierende Oberfläche in der
Projektionsebene bildet, wird der Strahl erneut mittels der
reflektierenden Oberfläche fokussiert in einer Ebene
senkrecht zur optischen Achse des zweiten auf der
Hauptachse angeordneten Brennpunktes F2.
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Wird ein ellipsoidförmiger Spiegel verwendet, so weist das
Prisma 2 die Gestalt einer sphärischen Oberfläche auf, die
den einfallenden Lichtstrahlen zugewandt ist, wobei der
zweite Brennpunkt F2 im Krümmungsmittelpunkt angeordnet
wird, welcher durch die kugelförmigen Oberfläche bestimmt
wird. Ein derartiges Prisma kann einstückig hergestellt
werden oder durch Hinzufügen eines getrennten Teils mit
einer sphärischen äußeren Oberfläche auf die gerade Seite
eines herkömmlich geformten Prismas. Alle Lichtstrahlen,
die vom Spiegel 3 reflektiert werden, treten in das Prisma
2 senkrecht zu dessen Außenfläche ein.
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Der ebene Spiegel 4 kann um seine Drehachse, beispielsweise
mittels einer Mikrometerschraube eines Gleichstrommotors,
eines Schrittmotors oder eines piezoelektrischen
Manipulators verdreht werden. Außerdem kann das Prisma 2
und der zu untersuchende Wellenleiter senkrecht verschoben
werden bezüglich der Verdrehebene der Lichtstrahlen, sodass
die nicht abgeschrägte Ecke des Prismas 2 im Brennpunkt F2
verbleibt und ein größerer Bereich des Wellenleiters
untersucht werden kann. Die Verschiebung kann z. B. mittels
einer Mikrometerschraube, eines Gleichstrommotors, eines
Schrittmotors oder eines piezoelektrischen Manipulators
erfolgen.
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Fig. 6 zeigt Alternativen zur Veränderung der Position des
Wellenleiters, um eine Abbildungskamera an anderer Stelle
als gerade oberhalb des Wellenleiters gemäß Fig. 1 und 2
anzuordnen. Die Veränderung der Stellung des Wellenleiters
ist auch erforderlich, wenn die Kamera schwer ist
(beispielsweise eine mit flüssigem Stickstoff gekühlte CCD-
Kamera) und der Wellenleiter in verschiedenen Stellungen
abgebildet werden muß. Die Vorrichtung weist eine Anordnung
zur Bewegung des Wellenleiters um eine optische Achse (die
Richtung des einfallenden Lichtes zum Brennpunkt F1) auf.
Die sich zusammen drehenden Teile in diesem Fall sind
wenigstens die mit 1 bis 4 bezeichneten Teile. Der
Wellenleiter 1 und die optischen Teile 2 bis 4 werden dann
in einem getrennten Teil 12 angeordnet (d. h. getrennt von
einem optischen Tisch 11), welches z. B. um 90º verdrehbar
ist oder auch um einen anderen Winkel bezüglich des
optischen Tisches 11 und welches mit dem Tisch in einer
Weise verbunden werden kann, welche es dem Spiegel 4
ermöglicht, in der optischen Achse zu verbleiben. Der Tisch
und das Teil haben geeignete Befestigungseinrichtungen, mit
denen die Teile 1 bis 4 korrekt positioniert werden können.
Zusätzlich können die Teile 1 bis 4 um eine Achse senkrecht
zur optischen Achse gemäß einem ähnlichen Prinzip verdreht
werden. Dies bedeutet, daß der einfallende Lichtstrahl aus
seiner ursprünglichen Richtung mit einem eigenen Spiegel 13
in dem durch die Winkelverdrehung erforderlich Maß
ausgelenkt werden kann.
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Fig. 2 zeigt eine Anordnung ähnlich derjenigen von Fig.
1, die sich von dieser Fig. 1 jedoch in der Weise
unterscheidet, in der das Licht in die Vorrichtung
einfällt. Hier tritt das Licht mittels einer optischen
Faser 5 ein. Die Vorrichtung weist einen Verbindungspunkt
zur Befestigung eines optischen Faserverbinders 10 auf. Vom
Faserverbinder wird das Licht in Richtung des Brennpunktes
F1 der Ellipse über eine Öffnung 7 und eine Fokussieroptik
8 gelenkt. Der Verbindungspunkt zur Befestigung des
Faserverbinders 10 kann eine präzise Stellung einnehmen
bezüglich des Brennpunktes F1, sodass die Lichtquelle
ausgewechselt werden kann, ohne daß eine erneute
Ausrichtung für den Lichtstrahl erforderlich ist.
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Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung ähnlich derjenigen von
Fig. 1, wobei die Brennpunkte F1 und F2 nicht auf
derselben geraden Linie wie die optische Achse 7-F1 liegen,
sondern wobei die Hauptachse der Ellipse unter einem
Winkel, verglichen mit dem früheren Ausführungsbeispiel,
angeordnet ist. Diese in Fig. 4 dargestellte Situation
entspricht derjenigen von Fig. 2.
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An der Stelle der Fokussieroptik ist es auch möglich,
zusätzlich einen Polarisator und/oder andere Filter
anzuordnen zur Veränderung der Eigenschaften des
einfallenden Lichtes. Das Signal kann dadurch verstärkt
werden und die Meßmöglichkeiten sind umfangreicher,
insbesondere bei Verwendung eines Polarisators, da dann
getrennte sogenannte TE- und TM-Moden im Wellenleiter
auftreten. Diese Anordnung kann an geeigneter Stelle
zwischen den Punkt des einfallenden Lichtes und dem ebenen
Spiegel 4 angeordnet werden.