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Querverweis auf verwandte
Anmeldungen
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/223,503,
eingereicht am 7. August 2001, der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/223,508,
eingereicht am 7. August 2000, und der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/271,103,
eingereicht am 23. Februar 2001.
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf integrierte optische
Schaltungen und im Spezielleren auf integrierte optische Schaltungen, die
auf optischen Beugungselementen beruhen, die auf einem transparenten
optischen Substrat angebracht sind.
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Hintergrund des Stands der
Technik
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Es
wurde vorgeschlagen, dass integrierte optische Schaltungen dadurch
aufgebaut werden könnten,
dass reflektierende, flächige
optische Elemente auf einem transparenten Substrat angebracht werden,
und die Elemente mittels innerer Reflexionen von einer Spiegelfläche eines
transparenten Substrats gekoppelt werden. Die optischen Flächenelemente
würden
ein einfallendes optisches Signal auf eine gewünschte Weise leiten, fokussieren
oder anderweitig beugen. Dieser Lösungsansatz würde es ermöglichen,
dass komplexe optische Geräte
gebaut und ähnlich
elektrischen integrierten Schaltungen flächig miteinander verschaltet
werden können.
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Dieser
Lösungsansatz
hatte wegen inhärenter
Reflexionsverluste und der Schwierigkeit, Flächenelemente zu konstruieren,
die effizient mit dem internen optischen Signal gekoppelt werden,
nur beschränkt
Erfolg. Spiegelflächen
des Substrats werden für
gewöhnlich
dadurch aufgebaut, dass ein dünner
Metallfilm auf ein transparentes Substrat aufgetragen wird, bekannte
Dünnfilmmaterialien
haben jedoch Verluste von mehreren Prozent, und die Signalstärke geht
exponentiell verloren, wenn Mehrfachreflexionen notwendig sind.
Wenn darüber
hinaus die optischen Flächenelemente
nicht in engem Kontakt mit der Substratoberfläche stehen, kann es große Verluste
geben, die damit zusammenhängen,
das optische Signal aus dem Substrat heraus- und wieder in dieses
zurückzuleiten.
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Optische
Beugungselemente (DOEs – Diffractive
Optical Elements) sind für
die reflektierenden optischen Elemente ideal geeignet, weil sie
integral mit der Fläche
sein können,
kranken aber an verschiedenen Defiziten. Typischerweise brauchen
sie eine Metallbeschichtung, um in der Reflektormode zu funktionieren,
und dies führt
zum Verlust optischer Signale. Wenn die Abmessungen der Beugungsobjekte
im DOE viel größer sind
als die Wellenlänge
von Licht im Substrat, beugen sie das Licht in andere Moden als
die gewünschte
Mode, was zu einem Verlust in der Wirkleistung führen und unerwünschte Fehler wie
etwa Kreuzkopplung verursachen kann. Dieses Problem kann dadurch
etwas minimiert werden, dass Blazegitterstrukturen verwendet werden,
in denen die Objekte geformt sind, um Licht vorzugsweise in eine
gewünschte
Richtung zu beugen. Ein Sägezahn-Blazebeugungsgitter
ist ein Beispiel, das typischerweise unter Verwendung eines geformten
Gravierwerkzeugs hergestellt wird. Allerdings macht es die dreidimensionale
Beschaffenheit von Blazegittern schwierig, sie auf der Oberfläche eines
optischen Substrats herzustellen, und dennoch ist eine Beugung von
Licht in unerwünschte
Moden und Richtungen immer noch ein Problem.
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Wenn
sich die Abmessungen der Beugungsobjekte der Wellenlänge von
Licht annähern,
können die
unerwünschten
Moden und Richtungen durch die richtige Auswahl von Einfallswinkeln
und Größe der Beugungsobjekte
minimiert oder ausgemerzt werden. Solch eine Vorrichtung ist im
Allgemeinen als holografisches optisches Element (HOE) bekannt, bei
dem es sich um eine Untergruppe der DOEs handelt. Wenn diese Vorrichtungen
anhand einer Strukturierung der Tiefe einer reflektierenden Oberfläche aufgebaut
werden, sind sie als Flächenrelief-
oder Phasenhologramme bekannt, weil die verschiedenen Tiefen der
Beugungsfläche
variierende Phasenverschiebungen im gebeugten Licht hervorrufen.
Diese Phasenverschiebungen können
durch Einstellen der Tiefe der Struktur so eingestellt werden, dass
sie eine konstruktive Interferenz von Licht in der gewünschten Richtung
oder Mode des geleiteten Lichtsignals hervorrufen. Wenn die Struktur
von Bre chungsobjekten mit einem reflektierenden Metallfilm beschichtet
wird, könnten
Verluste nur wenige Prozent betragen, weil in einer solchen Vorrichtung
nur sehr wenig der Lichtenergie absorbiert wird. In der Praxis ist
es jedoch schwierig, eine solche Vorrichtung auf der Oberfläche eines
Substrats auf eine Weise aufzubauen, die hohe Wirkleistung aufweist
und effizient hergestellt werden kann. Elektronenstrahlen können Strukturen mit
diesen Abmessungen direkt auf ein Substrat aufziehen, dies ist aber
ein sehr langsamer und kostspieliger Prozess, der sich nicht dazu
eignet, das für ein
Phasenhologramm erforderliche Oberflächenrelief herzustellen. Prägen wird
dazu verwendet, Oberflächenhologramme
auf transparentem Kunststoff wiederzugeben (z. B. Kreditkartensicherheitshologramme),
aber die Toleranzen und die Stabilität dieser Materialien eignen
sich für
die meisten Anwendungen nicht.
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Hingegen
können
Volumenhologramme auch dadurch erzeugt werden, dass eine Fotoemulsion
mit einem Raster aus Störlaserlicht
belichtet wird. Im Volumen der Emulsion entsteht eine Struktur von Beugungsobjekten.
HOEs, die mit diesem Verfahren aufgebaut werden, können eine
hohe Wirkleistung haben, sind aber dafür bekannt, immer noch schwierig
herzustellen zu sein, und unterliegen aufgrund von Umwelteinflüssen einer
Qualitätsminderung.
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Wie
aus den vorstehenden Problemen klar werden dürfte, besteht ein Bedarf nach
einem Verfahren zum Ausbilden einer integrierten optischen Schaltung,
die auf optischen Beugungselementen auf der Oberfläche eines
transparenten Substrats mit hohem optischen Wirkungsgrad beruht,
das zu relativ erschwinglichen Kosten in Masse produziert werden kann.
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Die
EP 0 322 218 offenbart einen
holografischen optischen Flächenverbund,
der sich der Braggschen Planar-/Volumen-Hologrammtechnologie bedient,
wohingegen die
EP 0 609 812 eine
Wellenleiter-Bildübertragungsvorrichtung
mit Gitterstrukturen und einer Beugungslinsenstruktur offenbart, um
Lichtstrahlen zu beugen und zu bündeln.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorstehenden Probleme werden durch eine integrierte optische Vorrichtung
nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 32 gelöst.
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Eine
integrierte optische Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
umfasst:
- a) ein optisches Substrat, um ein
einfallendes Lichtsignal sich in einer ersten Ebene und in einer primären Ausbreitungsrichtung
unter innerer Totalreflexion an einer Oberfläche des Substrats ausbreiten
zu lassen; und
- b) ein optisches Beugungselement mit mehreren voneinander beabstandeten
Teilen, die aus einem optisch durchlässigen Material gebildet sind
und auf des Oberfläche
des Substrats in schwindender Feldkopplung (Evanescent Field Coupling)
mit dem sich ausbreitenden Lichtsignal angeordnet sind, und zwar
so, dass das einfallende Lichtsignal, das unter innerer Totalreflexion
auf die Oberseite einfällt,
in das Substrat zu einer Ausbreitung in einer zweiten Ebene gebeugt
wird, die einen spitzen Winkel mit der ersten Ebene bildet, wobei sich
die erste Ebene und die zweite Ebene orthogonal zur Oberfläche erstrecken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsdarstellung eine holografischen optischen Elements
nach einer Ausführungsform.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht des holografischen optischen Elements
von 1, welche die Richtung eines reflektierten Lichtstrahls
zeigt.
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3 ist
eine Kurve des Winkels θP, in Gegenüberstellung zur Gitterperiode über die
Wellenlänge
für ein
beispielhaftes HOE.
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4 ist
eine Kurve der HOE-Streifendicke in Gegenüberstellung zur HOE-Wirkleistung für ein beispielhaftes
HOE.
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5 ist
eine Seitenansicht des holografischen optischen Elements von 1,
das als Demultiplexer verendet wird, um ein Eingangssignal in verschiedene
Wellenlängen,
aus denen es besteht, aufzuteilen.
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6 ist
eine Darstellung eines beispielhaften Aufbaus zum Einkoppeln eines
optischen Signals in ein Substrat, damit es darin unter innerer
Totalreflexion weiterläuft.
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7 ist
eine Seitenansicht einer alternativen Art und Weise, um Licht zur
inneren Totalreflexion in das Substrat einzukoppeln.
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8 ist
eine Querschnittsansicht eines alternativen HOEs, bei dem Streifen,
die das HOE bilden, über
dem optischen Substrat angeordnet sind.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Die
gegenwärtig
offenbarten Ausführungsformen
lösen die
vorstehend beschriebenen Probleme, indem eine optische Vorrichtung
bereitgestellt wird, in welche optische Beugungselemente eingebunden
sind, die sich auf einem transparenten Substrat befinden, das mit
standardmäßigen MEMS-Materialien
und -Herstellungsverfahren gefertigt werden kann. Mit den offenbarten
Lehren können
zahlreiche optische Elemente, einschließlich Beugungselemente, die
einfallendes Licht reflektieren, hergestellt werden. Die nachstehenden
bevorzugten Ausführungsformen
stellen ein optisches Beugungselement in Form eines HOEs dar, das
einen virtuellen Spiegel bildet, der sich zusammen mit einem optischen
Substrat verwenden lässt.
Keine der vorgesehenen Ausführungsformen
macht eine reflektierende Beschichtung erforderlich. Nichtsdestoweniger
könnten
auch optische Beugungselemente verwendet werden, die keine holografischen
optischen Elemente sind.
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Anstelle
reflektierender Beschichtungen sind das nachstehende HOE und das
nachstehende Substrat dazu ausgelegt, Licht, das in einem optischen Substrat
verläuft,
unter in nerer Totalreflexion zu beeinflussen. Innere Totalreflexion
(TIR – Total
Internal Reflection) ist ein optisches Phänomen mit sehr geringem Verlust
und führt
in den offenbarten Vorrichtungen zu einem hocheffizienten Funktionsablauf. Die
Beugungselemente im HOE selbst beugen vorzugsweise Licht mittels
innerer Totalreflexion, um Verluste auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
Zusätzlich
sind die dargestellten HOEs dazu ausgelegt, nur eine Beugungsmode
vorkommen zu lassen, was Verluste weiter reduziert. Die HOEs sind
vorzugsweise als Phasenhologramme aufgebaut, welche die reflektierte
m = 0-Mode unterdrücken,
womit ermöglicht wird,
dass sich der Gesamtwirkungsgrad 100% annähern kann. Die HOEs wirken
mit dem optischen Substrat zusammen, um ein in diesem verlaufendes einfallendes
Licht so zu reflektieren, dass sich das reflektierte Licht auch
im Substrat unter TIR ausbreitet, was es ermöglicht, dass viele HOEs mit
einer hohen Gesamtvorrichtungseffizienz optisch verbunden werden
können.
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Obwohl
optische Beugungselemente wie diejenigen, die vorstehend allgemein
beschrieben wurden, aufgezeigt werden, sollte klar sein, dass die vorliegende
Erfindung weitergefasst für
ein System zum Aufbauen optischer Vorrichtungen sorgt, und dass
es sich bei den optischen Vorrichtungen, die gebaut werden können, um
viele handelt. Und zwar zeigt die vorliegende Offenbarung eine Reihe
integrierter Substrat- und optischer Beugungselementkomponenten
oder Vorrichtungen. Diese integrierten Komponenten können viele
optische Vorrichtungen bilden, wie etwa Reflektoren, Kollimatoren,
Beugungsgitter, Strahlenteiler und regelbare Dämpfungsglieder. Das integrierte
Substrat und optische Beugungselement könnten auch als Sammel- oder
Zerstreuungslinse fungieren. Wie die nachstehenden Beschreibungen
angeben, bieten die Offenbarungen einen Weg zum Reproduzieren von
Hologrammstrukturen, die zahlreiche Funktionen erfüllen könnten.
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1 zeigt
eine Querschnittsseitenansicht eines HOEs 100 und eines
optischen Substratmaterials, das optisch durchlässig ist. Im Spezielleren sollte
das Substrat 102 im Infrarotbereich optisch transparent
sein, wie etwa im C-Band, das für
optische Wellenlängenmultiplex-Fernkommunikation (WDM-Fernkommunikation,
WDM – Wavelength
Division Multiplexed) im Infrarotbereich verwendet wird. Dieses
Band umfasst Wellenlängen
von 1528 nm bis 1621 nm, aber ein Betrieb in anderen optischen Kommunikationsbändern ist
auch angedacht. Das Substrat 102 kann aus verschiedenen
Materialien gebildet sein, wie etwa Saphir oder Quarz oder einem
anderen Substratmaterial, das sich dazu eignet, ein Lichtsignal
sich unter TIR ausbreiten zu lassen und als Ätzstopp für einen Fotolithografieprozess
zu dienen, wie nachstehend noch ausführlicher erklärt wird.
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Ein
einfallender Lichtstrahl 104 verläuft unter innerer Totalreflexion
durch das Substrat 102, die bekanntlich über einem
kritischen Einfallswinkel am äußeren Oberflächenrand
des Substrats 102 auftritt. In der bevorzugten Ausführungsform
hat das Substrat 102 oben eine Oberfläche 106, die Luft
ausgesetzt ist. Der Brechungsindex des Substrats und der Brechungsindex
von Luft legen den kritischen Winkel für innere Totalreflexion im
Substrat fest.
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Ein
Einfallswinkel θ ist
in 1 gezeigt, der ausgehend von einer Normalen zur
Oberfläche 106 gemessen
wird und sich in das Substrat 102 erstreckt. Bei einem
Saphirsubstrat 102, das von einem Luftrand umgeben ist,
beträgt
der kritische Winkel ungefähr
35°, und
so sollte θ für eine TIR-Ausbreitung an
oder über
diesem Wert liegen. Und zwar kann man den Lichtstrahl 104 mit
Winkeln auf die Oberfläche 106 einfallen
lassen, die über
dem kritischen Winkel liegen, und immer noch den Funktionsablauf des
HOEs 100 begünstigen.
Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform
Luft über
der Oberfläche 106 angeordnet
ist, können
auch andere Stoffe über
dem Substrat 102 angeordnet werden, solange diese nur einen
geringeren Brechungsindex haben als das Substrat 102, um
die TIR-Bedingungen
herzustellen. Während
darüber
hinaus eine TIR von der Oberfläche 106 und
einer Bodenfläche 107 des
Substrats 102 weg die effizienteste Auslegung mit den geringsten
Kosten bietet, könnte
man alternativ auch eine TIR an der Oberfläche 106 haben und
Spiegel oder eine reflektierende Beschichtung auf der Bodenfläche 107 verwenden,
um den Lichtstrahl 104 zu reflektieren. Entsprechend könnte eine
Kaschierungsschicht unterhalb der Bodenfläche 107 verwendet werden.
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Das
HOE 100 besteht aus einzelnen Beugungsteilen 108 beliebiger
Form, die direkt auf der Oberfläche 106 angeordnet
sind. Die Teile 108 könnten
aus beliebig geformten Punkten, gekrümmten oder geraden Streifen
oder anderen Formen bestehen, die eine Beugungsstruktur bilden,
die eine gewünschte
Modifizierung an einem einfallenden Lichtsignal vornimmt. Beispiele
für solche
Strukturen sind Strukturen, die Beugungsgitter oder Spiegel mit
beliebiger Krümmung
bilden. Falls die Teile 108 Punkte in einer angeordneten
Struktur sind, könnte
man das HOE 100 als Strahlenteiler fungieren lassen, der
das Ein gangssignal 104 empfängt und Teile des Eingangssignals
in irgendeine Anzahl von Ausgangssignalrichtungen reflektiert. Solche
Punkte könnten Kreis-,
Oval-, Quer- oder Quadratformen haben, und die Struktur des HOEs 100,
die auf den Teilen 108 ausgebildet ist, könnte je
nach dem Zwischenraum zwischen den Punkten einen 1×2- oder
1×N-Strahlenteiler schaffen.
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In
der dargestellten Ausführungsform
sind die Teile 108 aus einem optisch durchlässigen Material
gebildet. Diese Teile 108 schaffen ein HOE, das die Aufgabe
eines Kipp- oder Umlenkspiegels erfüllt. Die Geometrie der Teile 108 wirkt
sich auf die Eigenschaften und den Funktionsablauf des HOEs 100 aus.
Die Ausführungsform
von 1 zeigt die Teile als Streifen 108, die
in direktem physikalischen Kontakt mit der Oberfläche 106 hergestellt
sind, obwohl diese Streifen auch etwas oberhalb der Oberfläche 106 angeordnet
sein könnten
(siehe 8).
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Die
Streifen 108 können
aus einem Einkristall-Silizium, Polysilizium, amorphem Silizium,
Aluminiumoxid, Saphir, Siliziumnitrit, Germaniumsiliziumoxid oder
einem anderen optisch transparenten Material gebildet sein, das
sich auch unter Verwendung eines MEMS-Verarbeitungsverfahrens mit mikroelektromechanischen
(MEMS) 1- oder 5 μm-Systemen verarbeiten
lässt.
Das bevorzugte Material ist Polysilizium, weil es bei den gewünschten
Betriebsfrequenzen transparent ist, sich mit MEMS-Prozessen leicht verarbeiten
lässt und
einen hohen Brechungsindex hat. Nur ein paar Streifen 108 sind
beispielhaft gezeigt, im Betrieb gäbe es aber typischerweise eine größere Anzahl
solcher Streifen, um sicherzustellen, dass der Lichtstrahl 104 auf
irgendeinen Teil des HOEs 100 einfällt. Darüber hinaus sind die Streifen 108 im
Querschnitt gezeigt und würden
sich eigentlich in die Darstellung hinein und aus dieser heraus erstrecken,
wie in 2 dargestellt ist.
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Die
Streifen 108 haben eine Breite 'b' und sind
auf der Oberfläche 106 um
einen Abstand 'c' voneinander entfernt.
Eine Gitterperiode 'a' ist gleich der Summe
dieser beiden Werte. Das HOE 100 reflektiert einfallendes
Licht 104 zu einem Lichtstrahl 116, und die Breite 'a' wirkt sich auf die Wellenlänge von
Licht aus, zu dessen Reflexion das HOE 100 optimiert ist.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Breite 'b' gleich der Breite 'c', doch können die Breiten auch nicht
gleich sein, falls das so gewünscht
wird. Die Streifendicke und -breite kann eingestellt werden, um
die Stärke
des reflektierten Lichts zu maximie ren. Zusätzlich könnten die Streifen von der
Breite her untereinander variieren, wobei die Breite 'b' variieren könnte (z. B. b1, b2, b3, usw.)
und die Breite 'c' variieren könnte (z.
B. c1, c2, c3, usw.). Beispielsweise könnte ein HOE mit verschiedenen 'a'-Werten (a1, a2, a3, usw.) hergestellt
werden, wobei 'a' kontinuierlich variiert,
wie etwa a1 > a2 > a3, usw. Eine beispielhafte
Vorrichtung könnte
verwendet werden, um eine Streuung im reflektierten Signal zu reduzieren
oder den Streubetrag in diesem zu erhöhen, wie es bei Demultiplexeranwendungen
nützlich
sein könnte.
Wenn die Streifen 108 eine Gitterstruktur bilden, ist keine
genaue Maßgenauigkeit
notwendig, um eine funktionierende Vorrichtung herzustellen. Der
Gesamteinfluss der Streifen 108 und der dazwischen bestehenden
Abstände
soll eine Ungenauigkeit in der Größenbemessung irgendeines einzelnen Streifens 108 minimieren.
Nichtsdestoweniger wird bevorzugt, dass das HOE 100 eine
Periodizität 'a' hat, d. h., dass 'a' über das
gesamte HOE 100 im Wesentlichen immer gleich ist. Auf diese
Weise wirkt 'a' einflussreicher
auf den Funktionsablauf des HOEs 100 als 'b' oder 'c'.
In einem beispielhaften Aufbau würde
die Breite 'a' um die 1,5 μm betragen,
d. h. in der Größenordnung
der Wellenlänge
einfallenden Lichts liegen, die in einem Saphirsubstrat für das C-Band
ca. 0,9 μm
beträgt.
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Die
Streifen 108 sind im Querschnitt gezeigt und erstrecken
sich aus den Darstellungen heraus. Die Streifen 108 erstrecken
sich in parallelen Ebenen, die sich jeweils in einem spitzen Winkel
zur Verlaufsebene des Lichts 104, d. h. der Darstellungsebene
befinden. Dies lässt
sich aus 2 erkennen. Die Streifen 108 sind
in der bevorzugten Ausführungsform
linear und parallel, es können
aber auch nicht lineare Streifen verwendet werden. Zum Beispiel
können
gekrümmte
Streifen verwendet werden, um ein HOE zu schaffen, das als Fokussierspiegel
wirkt. Darüber
hinaus sind die Streifen 108 senkrecht zu einem in 2 gezeigten
linienhalbierenden Winkel O ausgerichtet.
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Im
Betrieb wirken die Streifen 108 mit der Oberfläche 106 zusammen,
um eine Beugungsgitterstruktur oder einen Umlenkspiegel zu bilden.
Das einfallende Licht 104 trifft auf die Struktur auf und
wird reflektiert, wie später
noch gezeigt und beschrieben wird. Auf diese Weise wirkt das HOE 100 als
reflektierendes Element.
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Oben
auf dem Substrat 102 bilden die Abstände 'c' zwischen
den Streifen 108 zusammen eine Grenzflächenschicht 110, bei
der es sich um eine Grenzflächenschicht
Luft-/Sub strat handelt. Wenn der Lichtstrahl 104 unter
innerer Totalreflexion im Substrat 102 verläuft, wird
ein Teil des Lichtstrahls 104 unter innerer Totalreflexion
an der Grenzflächenschicht 110 gebeugt.
Das heißt,
ein erster Teil des Lichtstrahls 104 fällt auf die Grenzflächenschicht Luft/Substrat 110 und
wird durch die reflektierende Wirkung der Zwischenräume zwischen
den Streifen 108 gebeugt. Da diese Zwischenräume in der
Größenordnung
der Wellenlänge
des einfallenden Lichts liegen, findet eher eine Beugung als eine
Reflexion einer ebenen Welle statt. Ein zweiter Teil des Lichtstrahls 104,
der auf das HOE 100 fällt,
fällt auf
den Abschnitt der Oberfläche 106,
der sich unterhalb der Streifen 108 befindet. Hier absorbieren
die Streifen 108 Lichtenergie aus dem Substrat und wirken
wie Wellenleiterresonatoren mit niedrigem Verlust, die in der bevorzugten
Ausführungsform
durch ein Material mit niedrigerem Brechungsindex bei Luft auf eine Oberfläche 112 und
Seitenflächen
begrenzt sind. Somit gibt es eine TIR-Reflexion in den Streifen 108 sowie
eine TIR-Ausbreitung im Substrat 102. Im Wesentlichen entsteht
eine stehende Welle in den Streifen 108, und absorbiertes
Licht, das von dem durch die Grenzflächenschicht 110 reflektieren
Licht phasenverschoben ist, tritt schließlich aus den Streifen 108 aus
und wieder in das Substrat 102 ein. Wenn die Streifen 108 einen
höheren
Brechungsindex haben als das Substrat 102, wird der Wirkungsgrad noch
weiter verbessert, weil die stehenden Wellen auch durch eine untere
Fläche
mit einem Übergang zu
einem niedrigeren Brechungsindex begrenzt werden. Die Wirkung der
Streifen 108 und der Grenzflächenschicht 110 besteht
darin, den Lichtstrahl 104 kollektiv in eine Mode m = –1 zu beugen,
die sich im Substrat 102 ausbreitet. Der Lichtstrahl 116 stellt
dieses reflektierte Signal dar, während der Weg 114 der Weg
ist, den der Lichtstrahl 104 im Substrat 102 nehmen
würde,
wenn er nicht von den Streifen 108 beeinflusst würde. Der
Weg 114 könnte
auch mit der m = 0-Mode der HOE-Beugungsstruktur zusammenfallen,
in der destruktive Interferenz das Ausgangssignal minimiert hat.
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2 zeigt
den Verlauf des reflektierten Lichtstrahls 116. Der Ausbreitungsweg 116 verläuft in einer
Ebene, die sich in einem Winkel α oder θP zur Ausbreitungsebene des Lichtstrahls 104 befindet. Somit
verläuft
der Ausbreitungsweg 116 in einer Ebene, die sich aus der
Darstellung von 1 heraus erstreckt. Den reflektierten
Lichtstrahl 116 in einer zweiten Fortpflanzungsrichtung
verlaufen zu lassen, ermöglicht
es dem HOE 100, den Weg des reflektierten Signals räumlich vom
Signalweg des einfallenden, sich fortpflanzenden Strahls zu trennen
und legt deshalb die Verwendung des HOEs 100 als ein Weg
zum Umleiten eines Ausgangssignals nahe. Wenn man beispielsweise
einen Strahl sich unter TIR in einer Richtung fortpflanzen lässt, die
auf das HOE 100 fällt, wird
der Strahl umgeleitet, wohingegen der Strahl, wenn man ihn sich
entlang eines anderen Wegs fortpflanzen lässt, der nicht auf das HOE 100 einfällt, er sich
entlang seines ursprünglichen
Ausbreitungswegs fortpflanzen wird.
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Der
Reflexionswinkel θP, der durch das HOE 100 geschaffen
wird, hängt
von zahlreichen Faktoren ab, welche die Streifenperiodizität 'a', den Einfallswinkel θ und die
Wellenlänge λ des Lichts
umfassen. Eine Musterkurve, die das Verhältnis zwischen θP und diesen Variablen zeigt, ist in 3 gezeigt.
In 3 ist für
verschiedene Einfallswinkel θ der
Winkel θP auf der x-Achse und 'a'/λ auf der
y-Achse eingetragen. 3 setzt voraus, dass der Einfallswinkel θ vor und
nach einer Wechselwirkung des Lichts mit dem HOE derselbe ist, so
dass eine TIR im Substrat aufrechterhalten wird. Wie zu sehen ist,
führt für θ = 35°, ein 'a'/λ von
1,5 zu einem θP von ca. 110°. Entsprechend führt bei θ = 45°, ein 'a'/λ von
1,5 zu einem θP von ca. 125°. Die grafische Darstellung
zeigt auch, dass in diesem Beispiel θ je nach den Parametern von
ca. 90° bis
ca. 145° reichen
kann. Die grafische Darstellung zeigt auch beispielhafte Bereiche
zu 'a', obwohl sich die 'a'-Bereiche je nach den Parametern im
Allgemeinen von ca. 0,5 λ bis
4 λ erstrecken.
Die grafische Darstellung von 3 zeigt
auch einen unzulässigen
Bereich, der sich oberhalb einer Linie F erstreckt, in dem Licht
in mehrere Moden reflektiert wird als nur in die Mode m = –1.
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Wieder
mit Bezug zurück
auf 2 besteht ein anderes offensichtliches Leistungsmerkmal
des HOEs 100 darin, dass der Strahlengang 116 unter
innerer Totalreflexion im Substrat 102 verläuft. Dies
ist wünschenswert,
um Verluste am reflektierten Signal zu reduzieren. Die Reflexion
in einen innen totalreflektierten Weg wird durch Einstellen der
Gitterperiodizität 'a' erzielt.
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Die
Streifen 108 sind so angeordnet, dass ein Teil des im Substrat 102 verlaufenden
Lichtstrahls 104 dadurch eingekoppelt wird, dass sie in
direktem Kontakt mit der Oberfläche 106 des
Substrats 102 stehen. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch
nicht auf die dargestellte Ausführungsform
beschränkt. Statt
dessen kann das HOE gänzlich über der
Oberfläche 106 angeordnet
und immer noch mit Licht gekoppelt sein, das im Substrat 102 verläuft. Bekanntlich
erzeugt Licht, das unter innerer Totalreflexion an einer Randgrenzflache
reflektiert wird, ein schwindendes Feld, das sich über die
Randgrenzfläche
erstreckt. Ein HOE kann mit diesem schwindenden Feld gekoppelt werden,
d. h. ohne die in direktem physikalischen Kontakt mit dem Substrat
stehenden Streifen, und immer noch das im Substrat verlaufende Licht
beeinflussen. Gehemmte innere Totalreflexion wirkt nach diesem Prinzip.
Eine solche Alternative wird nachstehend im Hinblick auf 8 beschrieben.
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Die
Streifendicke legt eine Phasenverschiebung zwischen dem von der
Grenzflächenschicht 110 gebeugten
Licht und dem von den Resonatorstreifen 108 kommenden Licht
fest. In der bevorzugten Ausführungsform
sind die Dicken aller Streifen 108 gleich. Darüber hinaus
ist die Dicke so gewählt, dass
die Menge des einfallenden Lichts 104, das in den Strahlengang 116 reflektiert
wird, maximiert wird. Eine grafische Darstellung, die eine HOE-Wirkleistung
in Gegenüberstellung
zu einer Siliziumstreifendicke zeigt, ist in 4 wiedergegeben.
In dieser beispielhaften grafischen Darstellung besteht das Substrat
aus Saphir, der einfallende Strahl ist TE-polarisiert, 'a' = 1,5 μm, λ = 1,55 μm, θ = 45° und ϕ = 65,3°. Wie gezeigt
ist, gibt es zahlreiche Streifendicken, die eine sehr hohe Wirkleistung
erzeugen. Wirkleistungsspitzen treten bei ca. 1,55 μm, 1,84 μm und 2,15 μm auf. Diese
grafische Darstellung ist jedoch ein reines Musterbeispiel und es
können
auch geringere Dicken verwendet werden. Wenn zum Beispiel die Dicke
der Streifen 108 so gewählt
werden sollte, dass dem absorbierten Licht die angemessene Phasenverschiebung
erteilt wird, würden
viele Oberwellen einer bestimmten Dicke dieselbe Phasenverschiebung
bewirken und könnten
deshalb verwendet werden. Bevorzugte Dicken für Streifen, die aus Polysilizium
bestehen und mit MEMS-Prozessen hergestellt werden, betragen 0,5
bis 3 μm.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil des HOEs 100 ist der, dass es die Streifendicke
ermöglicht,
Strukturen herzustellen, die im Wesentlichen vom Polarisierungszustand
des einfallenden Lichtstrahls unabhängig sind. Dieses Leistungsmerkmal
ist als polarisierungsabhängiger
Verlust bekannt, eine Entwurfsanforderung, die von der Telecordia-Industrienorm
GR1073 aufgestellt wurde. Wir stellten fest, dass bei jedem einfallenden
linearen Polarisierungszustand HOE-Wirkleistungen von über 90%
theoretisch erzielt werden können.
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Um
die Streifen 108 auszubilden, kann ein Prozess zum Abscheiden
eines Films aus Polysilizium oder einem anderen Material auf dem
Saphirsubstrat 102 verwendet werden. Alternativ kann ein
Einkristall-Silizium epitaxial auf dem Saphirsubstrat 102 aufgewachsen
werden. In jedem Fall können
mit der Polysiliziumschicht oder der Einkristall-Siliziumschicht, die auf der Oberfläche 106 ausgebildet
werden, standardmäßige 1 μm- oder 0,5 μm-MEMS-Fotolithografieverfahren
eingesetzt werden, um die gewünschte
Gitterstruktur in einer Fotolackschicht auszubilden, und die Struktur
kann unter Verwendung standardmäßiger MEMS-Ätzverfahren
in das Silizium geätzt
werden, und zwar entsprechend dem handelsüblichen Multi-User MEMS-Prozess
(MUMPsTM). Das Saphirsubstrat 102 stellt
eine Ätzstoppschicht
bereit, so dass die Höhe
der Streifen genau geregelt werden kann.
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Das
HOE 100 und das integrierte Substrat 102 können in
verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen, um verschiedene optische
Funktionen zu erfüllen.
Eine ist beispielhaft in 5 gezeigt, in der das HOE 100 als
Demultiplexer fungiert. Im Betrieb sind HOEs wellenlängenabhängig. Wenn
somit der Eingangslichtstrahl 120 Licht mit mehr als einer Wellenlänge enthält, wie
etwa Strahlen, die mehrere Kanäle
in dichten Wellenlängenmultiplexsystemen (DWDM-Systemen) übertragen,
werden die verschiedenen Wellenlängen
vom HOE 100 mit verschiedenen Winkeln gebeugt. Dieses Phänomen kann
dazu genutzt werden, die verschiedenen Wellenlängen des Eingangslichtstrahls 120 in
verschiedene Komponenten aufzuteilen, die beispielhaft als Ausbreitungswege 122a, 122b und 122c gezeigt sind.
Jeder der verschiedenen Ausbreitungswege 122a–c würde sich
dann in einer separaten Ebene befinden, wobei sich jede Ebene in
einem anderen Winkel zur Ebene des Ausbreitungswegs 104 befinden
würde.
Die Ausbreitungswege 122a–c würden aber alle vorzugsweise
unter im Wesentlichen innerer Totalreflexion im Substrat 102 verlaufen.
Das HOE 100 kann dazu ausgelegt werden, als Demultiplexer
zu wirken, indem beispielsweise die verschiedenen Ausbreitungswege 122a–c in verschiedene Ausgangsfasern
eingekoppelt werden. Das in 5 gezeigte
HOE 100 könnte
auch als Wellenlängenfilter verwendet
werden, indem nur ein gewünschter
Ausbreitungsweg zu einer Ausgangsfaser gelenkt wird. Somit können ein
integriertes Substrat und ein optisches Beugungselement, hier in
Form des HOEs 100, ein Signal in Abhängigkeit von der Wellenlänge in verschiedene
Reflexionswege hinein reflektieren.
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Es
gibt zahlreiche Arten und Weisen, um Lichtsignale zur Erzeugung
einer TIR-Ausbreitung in das Substrat 102 einzukoppeln.
Beispielsweise umfassen ausreichende Verfahren, eine Eingangsfaser zu
spalten, einen Rand des Substrats zu spalten, ein gespaltenes Element
zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Substrat oder irgendeine
Kombination von diesen bereitzustellen. 6 zeigt
eine beispielhafte Weise zum Einkoppeln von Licht in ein Substrat.
Hier ist ein Lichtwellenleiter 202 über ein Brechungselement 203 mit
dem Substrat 102 gekoppelt. Der Lichtwellenleiter 202 koppelt
einen divergierenden einfallenden Lichtstrahl 204 in das
Brechungselement 203 ein, das aus einem optisch durchlässigen Material
mit einem Brechungsindex besteht, der niedriger ist als der des
Substrats 102. Das Brechungselement 203 bricht
das Licht 204 für
eine TIR-Ausbreitung im Substrat 102. Der Lichtstrahl 204 fällt auf
ein Fokussierelement 206, das in einer Ausführungsform
ein HOE ist, das auf der Oberfläche 106 ausgebildet
ist, um den sich ausbreitenden Lichtstrahl 204 parallel
zu richten und ihn für
einen Verlauf unter TIR im Substrat 102 zu reflektieren.
Das Fokussierelement 206 kann irgendeine geeignete HOE-Struktur sein oder kann
entsprechend dem vorstehend beschriebenen HOE 100 ausgebildet
sein. Das Fokussierelement 206 wie das HOE 100 auszubilden
hat den Vorteil, die Fertigung der Vorrichtung einfacher zu machen. Das
Fokussierelement 206 besitzt Teile 208 wie die Teile 108 von 1.
Außer
dem Fokussierelement 206, das Licht aus der Faser 202 einkoppelt,
ist der Aufbau von 6 derselbe wie der von 1.
Somit zeigt 6 eine andere optische Vorrichtung,
die unter Verwendung eines integrierten Substrats und optischen
Beugungselements, einem Strahlenkollimator in Form des HOEs 206 hergestellt
werden kann.
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6 zeigt
auch, dass mehrere optische Beugungselemente auf einem einzelnen
Substrat kombiniert und deshalb mit diesem integriert werden können, um
komplexe Strukturen zu bilden. Die Verwendung vieler optischer Beugungselemente,
die ähnliche
oder nicht ähnliche
optische Funktionen erfüllen,
ermöglichen
die Schaffung einer integrierten optischen Schaltung, die sich der
offenbarten Vorrichtungen und Verfahren bedient. In dem besonderen
Beispiel überträgt das Fokussierelement 206 das parallel
gerichtete einfallende Licht 204 zum HOE 100,
das auch auf derselben Seite des Substrats ausgebildet ist. Die
aus zwei Elementen bestehende Struktur ermöglich es deshalb, das Eingangssignal sowohl
einzukoppeln als auch zu reflektieren. Der Reflexionssignalweg 210 (der
Eigenschaften hat wie der Weg 116) ist in 6 gezeigt.
Es könnte
auch weitere Modifizierungen an dem dargestellten Aufbau geben,
wie etwa das HOE 100 aus gekrümmten Streifen hergestellt
zu haben, die sowohl als reflektierendes Element als auch als Sammel-
oder Zerstreuungslinse oder Spiegel fungieren. Mehrere optische Beugungselemente
zusammen hinzuzufügen
hat den Vorteil, die Schaffung integrierter optischer Schaltungen
zu ermöglichen,
die dann einfacher hergestellt werden könnten. Integrierte optische
Schaltungen aus Reflektoren, Strahlenteilern, Kollimatoren, regelbaren
Dämpfungsgliedern,
Beugungsgittern, usw. können
entworfen werden. Darüber
hinaus bedeutet die Möglichkeit,
beispielsweise das HOE 100 und das Fokussierelement 206 auf
derselben Fläche
des Substrats 102 unter Verwendung eines einzigen Fotolithografieprozesses
herzustellen, nicht nur eine einfachere Fertigung der Vorrichtung,
sondern es werden auch die Ausrichtungsprobleme umgangen, die bestehende
integrierte optische Schaltungsvorrichtungen plagen, weil die gewünschte Ausrichtung
mit dem fotolithografischen Entwicklungsprozess hergestellt wird.
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7 zeigt
eine Einkopplungsalternative zu 6, die kein
Kollimatorelement 206 verwendet. Hier hat ein Substrat 220 eine
gespaltene Seitenfläche 222,
die als Prisma für
ankommende Signale wirkt. Mit einem 45°-Schnitt empfängt die
Fläche
ein Lichtsignal 224 aus einer Kollimationslinse mit graduiertem
Index (GRIN) 226 für
eine TIR im Substrat 220. Die GRIN-Linse 226 kann
direkt mit einem Brechungselement oder einer dünnen Schicht einer antireflektierenden
Beschichtung 228 gekoppelt sein, die Reflexionsverluste
auf ein Mindestmaß reduziert.
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8 zeigt
ein zu den zuvor beschriebenen HOEs alternatives HOE. Während 1 ein
HOE in physikalischem Kontakt mit einem Substrat zeigt, zeigt 8 ein
HOE 300, das über
(d. h. außer
physikalischem Kontakt mit) einem Substrat 302 angeordnet
ist, bei dem Licht 304 durch das Substrat 302 verläuft. Der
Lichtstrahl 304 breitet sich im Substrat 302 unter
TIR aus. Die TIR-Ausbreitung im Substrat 302 kann wie vorstehend
erörtert
aus der Einkopplung von Licht in das Substrat erzielt werden. Darüber hinaus
braucht wie bei 1 eine TIR nur auf einer Oberfläche 306 des
Substrats 302 mit Spiegeln oder einer reflektierenden Schicht
auf einer Bodenfläche 307 des
Substrats hergestellt zu werden, obwohl vorzugsweise eine TIR an
beiden Flächen 306, 307 auftreten
würde.
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Das
HOE 500 besteht aus Streifen 308, die über der
Oberfläche 306 des
Substrats 302 angeordnet sind. Die Streifen 308 wirken,
wie die Streifen 108 im HOE 100, mit dem Substrat 302 zusammen,
wobei der Unterschied in 8 darin besteht, dass die Streifen 308 nicht
in direktem physikalischen Kontakt mit der Oberfläche 306 zu
stehen brauchen, sondern statt dessen mit dem Substrat 302 über ein
schwindendes Feld in Kopplungskontakt sind, das sich über der
Oberfläche 306 erstreckt
und durch die TIR-Ausbreitung entsteht. Im Betrieb wird ein erster
Teil des Lichtstrahls 304 von der Oberfläche 306 weg
gebeugt, und ein zweiter Teil wird in die Streifen 308 eingekoppelt,
und zwar so, dass der Ausgang aus den Streifen 308 mit
dem reflektierten ersten Teil zusammenwirkt, um eine Mode der Ordnung
m = –1
zu bilden, die mit dem Reflexionsweg 310 zusammenfällt. Der
nicht betroffene Reflexionsweg, d. h. die Mode m = 0 ist in 312 gezeigt.
Dieser Zustand könnte als
gehemmte innere Totalreflexion angesehen werden. Der in der bevorzugten
Ausführungsform
entlang des Wegs 310 reflektierte Strahl wird wie bei den zuvor
beschriebenen HOEs dazu gebracht, mit einem Winkel α (oder θP) zur Fortpflanzungsrichtung des einfallenden
Strahls 304 und unter TIR im Substrat reflektiert zu werden.
Das HOE 300 kann entsprechend dem HOE 100 ausgebildet
sein, mit Ausnahme dessen, dass eine Opfer- oder Abstandsschicht
in einem Anfangsschritt auf dem Substrat 302 abgeschieden
würde.
Nach den vorstehend beschriebenen Abscheide- und Fotolithografieschritten
würde die
Opferschicht als letzter Bearbeitungsschritt aufgelöst oder
entfernt werden, wodurch die Streifen 308 innerhalb eines
schwindenden Kopplungsabstands zum Substrat zurückbleiben. Um die Streifen 308 zu
haltern, würden
auch standardmäßige Verankerungsabschnitte
unter Verwendung einer MEMS-Verarbeitung hergestellt werden.
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Viele
zusätzliche Änderungen
und Modifizierungen könnten
an der Erfindung vorgenommen werden, ohne dabei vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.