DE102019009399B4 - Optical device - Google Patents
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Abstract
Bei einer optischen Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters (7) an ein externes Medium (6) soll die Kopplungsbandbreite der optischen Vorrichtung verbreitert werden, damit ein weites Spektrum an Wellenlängen über die optische Vorrichtung in ein externes Medium eingekoppelt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die optische Vorrichtung zumindest eine Taper-Struktur (2) umfasst, wobei die Taper-Struktur (2) ein Strahleneingangssegment (3) umfasst, wobei das Strahleneingangssegment (3) derart eingerichtet ist, einen Lichtstrahl (5) aus dem Wellenleiter (7) in die Taper-Struktur (2) einzukoppeln, die Taper-Struktur ein Strahlenausgangssegment (4) umfasst, wobei das Strahlenausgangssegment (4) derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl (5) zu fokussieren und in das externe Medium (6) einzukoppeln, die Taper-Struktur (2) zwischen dem Strahleneingangssegment (3) und dem Strahlenausgangssegment (4) zumindest eine erste Reflexionsfläche (8) umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche (8) derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl (5) aus der Ebene des Wellenleiters (7) heraus abzulenken, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) als freistehender Wellenleiter-Arm (14) ausgebildet ist.In an optical device for the bidirectional coupling of a waveguide (7) to an external medium (6), the coupling bandwidth of the optical device is to be widened so that a wide spectrum of wavelengths can be coupled into an external medium via the optical device. This is achieved in that the optical device comprises at least one taper structure (2), the taper structure (2) comprising a beam input segment (3), the beam input segment (3) being set up to emit a light beam (5). the waveguide (7) into the taper structure (2), the taper structure comprising a beam output segment (4), the beam output segment (4) being set up to focus the light beam (5) and into the external medium (6 ), the taper structure (2) between the beam input segment (3) and the beam output segment (4) comprises at least one first reflection surface (8), the first reflection surface (8) being set up in such a way that the light beam (5) comes out of the plane of the waveguide (7), characterized in that the waveguide (7) is designed as a free-standing waveguide arm (14).
Description
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium.The invention relates to an optical device for bidirectional coupling of a waveguide to an external medium.
Der Gegenstand der Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.The subject matter of the invention is defined in the appended claims.
Im Bereich der Telekommunikation ist die bidirektionale Ankopplung an Wellenleiter aus optischen Glasfasern eine zentrale Herausforderung. Wellenleiter entsprechen elektrischen Verbindungen auf integrierten optischen Schaltkreisen und sind damit essentielle Bausteine für die funktionale Photonik. Sie erlauben es insbesondere komplexe Systeme zu miniaturisieren und sind somit eine Schlüsseltechnologie. Da die geführten Moden in Wellenleitern und Glasfasern jedoch sehr unterschiedliche Größen aufweisen ist eine direkte Kopplung mit hohen Verlusten behaftet. Um diese zu umgehen sind Modenkonverter notwendig. Da in Wellenleitern optische Signale in der Ebene geführt werden ist es wünschenswert die Strahlrichtung zu ändern, da sonst nur die Ränder des Chips zur Kopplung verwendet werden können. Diese Umlenkung kann mit planarer Geometrie nur über diffraktive Elemente oder Interferenzphänomene erfolgen wodurch die optische Bandbreite stark limitiert ist. Eine hohe Bandbreite ist jedoch notwendig um hohe Datenraten zu erhalten und Kompatibilität mit heutigen Datenformaten zu erhalten. Zudem ist die Ausrichtung der Glasfasern gegenüber dem Chip sehr empfindlich auf minimalem Versatz und erfordert daher eine hohe Platziergenauigkeit welche mit hohen Kosten verbunden ist. Laufende Kontaktierverfahren sind somit verlustbehaftet und nicht für eine Massenproduktion geeignet. Für alle optischen Systeme mit Anwendungsfeldern in der Telekommunikation ist jedoch eine permanente Faserkopplung notwendig für ein effizientes Packaging. Daher besteht momentan keine Möglichkeit effizient mit hoher Bandbreite und entspannten Toleranzen an Wellenleiter zu koppeln, insbesondere nicht an eine große Anzahl an Wellenleiter. Weiterhin können existierende Ankopplungsstellen nicht durchgestimmt werden. Da Fertigungstoleranzen bestehen ist eine Anpassung nach der Fertigung notwendig um eine optimale Kopplung zu erreichen.In the field of telecommunications, bidirectional coupling to waveguides made of optical fibers is a central challenge. Waveguides correspond to electrical connections on integrated optical circuits and are therefore essential building blocks for functional photonics. They make it possible to miniaturize complex systems in particular and are therefore a key technology. However, since the guided modes in waveguides and glass fibers have very different sizes, direct coupling is associated with high losses. To avoid this, mode converters are necessary. Since optical signals are guided in the plane in waveguides, it is desirable to change the beam direction, otherwise only the edges of the chip can be used for coupling. With planar geometry, this deflection can only take place via diffractive elements or interference phenomena, which severely limits the optical bandwidth. However, a high bandwidth is necessary to maintain high data rates and maintain compatibility with today's data formats. In addition, the alignment of the glass fibers with respect to the chip is very sensitive to minimal offset and therefore requires a high level of placement accuracy, which is associated with high costs. Current contacting processes are therefore subject to losses and are not suitable for mass production. However, for all optical systems with applications in telecommunications, permanent fiber coupling is necessary for efficient packaging. Therefore, there is currently no possibility of coupling efficiently with high bandwidth and relaxed tolerances to waveguides, especially not to a large number of waveguides. Furthermore, existing coupling points cannot be tuned. Since there are manufacturing tolerances, an adjustment after manufacturing is necessary to achieve an optimal coupling.
Die Kopplung über die Chipoberseite ist die bevorzugte Methode. Diese erlaubt es viele Bauelemente anzusprechen was von zentraler Bedeutung ist um einen hohen Integrationsgrad zu erhalten. Aus dem Stand der Technik sind dazu zwei Verfahren bekannt, zum einen die Kopplung über Gitterelemente und zum anderen die Kopplung über Fasertaper im evaneszenten Feld.Top-chip coupling is the preferred method. This allows many components to be addressed, which is of central importance in order to achieve a high level of integration. Two methods are known from the prior art, on the one hand coupling via grid elements and on the other hand coupling via fiber tapers in the evanescent field.
Gitterkoppler nutzen diffraktive Elemente um eine Kopplung aus der Ebene zu ermöglichen. Diese Koppler erreichen Effizienzen von typischerweise 30%. Höhere Effizienzen sind möglich mit verbesserten Designs und aufwendigerer Fertigung. Der primäre Nachteil von Gitterkopplern ist die geringe Bandbreite im Bereich von einigen 10 nm. Damit können nur spezielle Wellenlängenbereiche abgedeckt werden. Außerdem sind Gitterkoppler sehr empfindlich für laterale Verschiebungen und müssen daher aufwendig gegenüber Fasern oder Linsen ausgerichtet werden. Damit ist eine automatische Ankopplung an Chips nur schwer möglich.Grating couplers use diffractive elements to enable out-of-plane coupling. These couplers typically achieve efficiencies of 30%. Greater efficiencies are possible with improved designs and more complex manufacturing. The primary disadvantage of grating couplers is the narrow bandwidth in the range of a few tens of nm. This means that only specific wavelength ranges can be covered. In addition, grating couplers are very sensitive to lateral displacements and therefore have to be laboriously aligned with fibers or lenses. This makes automatic coupling to chips difficult.
Fasertaper verwenden Glasfasern mit reduziertem Durchmesser. Diese Taper werden von oben auf die Wellenleiter gelegt und koppeln an diese im optischen Nahfeld. Daher ist bei dieser Methode die Breite des Wellenleiters ausschlaggebend für die Platzierungstoleranz. Diese liegt somit unter einem Mikrometer und ist daher extrem anspruchsvoll. Die Kopplungsbandbreite ist in diesem Fall hoch, da adiabatisch gekoppelt wird. Über die anspruchsvolle Platzierung kann jedoch nicht an viele Wellenleiter gekoppelt werden, da jede einzelne Faser separat platziert werden muss. Weiterhin können keine Faserarrays verwendet werden, so dass eine parallele Ankopplung nicht möglich ist. Zudem ist die mechanische Stabilität der Kopplung begrenzt. In beiden Fällen ist keine Durchstimmbarkeit möglich. D.h. nach der mechanischen Platzierung kann die Ankopplung an die Glasfasern nicht weiter verbessert werden. Gerade bei genauen Platzierungsanforderungen leidet jedoch die Kopplungseffizienz signifikant darunter.Fiber tapers use reduced diameter glass fibers. These tapers are placed on the waveguides from above and couple to them in the optical near field. Therefore, in this method, the width of the waveguide is crucial for the placement tolerance. This is less than one micrometer and is therefore extremely demanding. The coupling bandwidth is high in this case because the coupling is adiabatic. However, the demanding placement cannot be used to couple to many waveguides because each individual fiber must be placed separately. Furthermore, fiber arrays cannot be used, so parallel coupling is not possible. In addition, the mechanical stability of the coupling is limited. In both cases tunability is not possible. This means that after mechanical placement, the coupling to the glass fibers cannot be further improved. However, the coupling efficiency suffers significantly, especially when precise placement requirements are required.
Aus der
In „
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kopplungsverfahren verlangen eine aufwendige Ausrichtung der Glasfasern gegenüber den Kopplungselementen. Dies ist aufwendig und daher kostspielig. Da jedes Bauelement separat gegenüber den Glasfasern ausgerichtet werden muss ist eine automatische Platzierung schwierig und langsam und daher teuer. Weiterhin führen die geringen Platzierungstoleranzen dazu, dass die Bauteile über die Zeit degradieren, wenn es mechanischen Verzug oder Versatz gegenüber dem optischen Chip gibt. Daher ist eine Platzierungstechnik notwendig, die höhere Toleranzen bietet und gleichzeitig für viele Bauteile parallel verwendet werden kann. Dies erfordert im Wesentlichen eine Ankopplung von der Chipoberseite über Faserarrays.The coupling methods known from the prior art require a complex alignment of the glass fibers relative to the coupling elements. This is complex and therefore expensive. Since each component must be aligned separately with respect to the glass fibers, automatic placement is difficult and slow and therefore expensive. Furthermore, the low placement tolerances cause the components to degrade over time if there is mechanical distortion or offset compared to the optical chip. Therefore, a placement technique is necessary that offers higher tolerances and can be used for many components in parallel. This essentially requires coupling from the top of the chip via fiber arrays.
Ein weiterer zentraler Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kopplungsverfahren ist die geringe Kopplungseffizienz von Gitterkopplern. Gerade für Anwendungen in welchen mehrere Verbindungen an Chips notwendig sind können Verluste nicht akzeptiert werden. Another key disadvantage of the coupling methods known from the prior art is the low coupling efficiency of grating couplers. Losses cannot be accepted, especially for applications in which multiple connections to chips are necessary.
Daher ist eine hohe Kopplungseffizienz essentiell. Eine hohe Bandbreite ist besonders für Anwendungen in der Spektroskopie und für die Datenübertragung notwendig. Hierbei ist häufig die Ankopplung an viele Wellenleiter gleichzeitig nötig um mehrere Kanäle zu realisieren. Dies ist mit heutigen Verfahren nicht möglich. Ebenso kann der Stand der Technik eine Durchstimmung nach der Fertigung nicht realisieren, die aber notwendig ist um auf langfristige Drift und Versatz zu reagieren.Therefore, high coupling efficiency is essential. A high bandwidth is particularly necessary for applications in spectroscopy and for data transmission. It is often necessary to connect to many waveguides at the same time in order to create multiple channels. This is not possible with current procedures. Likewise, the state of the art cannot implement tuning after production, which is necessary to react to long-term drift and offset.
Dementsprechend soll mit der vorliegenden Erfindung primär eine optische Vorrichtung bereitgestellt werden, wobei die Kopplungsbandbreite der optischen Vorrichtung sehr breit ist und ein weites Spektrum an Wellenlängen über die optische Vorrichtung in ein externes Medium eingekoppelt werden kann. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, viele Glasfasern verlustarm mit erreichbaren Platzierungstoleranzen an einen Wellenleiter anzukoppeln.Accordingly, the present invention is primarily intended to provide an optical device, wherein the coupling bandwidth of the optical device is very wide and a wide spectrum of wavelengths can be coupled into an external medium via the optical device. Furthermore, the invention is based on the object of coupling many glass fibers to a waveguide with low loss and achievable placement tolerances.
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium bereit. Die optische Vorrichtung umfasst gemäß Oberbegriff zumindest eine Taper-Struktur, wobei die Taper-Struktur ein Strahleneingangssegment umfasst, wobei das Strahleneingangssegment derart eingerichtet ist, einen Lichtstrahl aus dem Wellenleiter in die Taper-Struktur einzukoppeln, die Taper-Struktur ein Strahlenausgangssegment umfasst, wobei das Strahlenausgangssegment derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl zu fokussieren und in das externe Medium einzukoppeln, die Taper-Struktur zwischen dem Strahleneingangssegment und dem Strahlenausgangssegment zumindest eine erste Reflexionsfläche umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl aus der Ebene des Wellenleiters heraus abzulenken.In order to achieve the above object, the present invention provides an optical device for bidirectionally coupling a waveguide to an external medium. According to the preamble, the optical device comprises at least one taper structure, the taper structure comprising a beam input segment, the beam input segment being set up to couple a light beam from the waveguide into the taper structure, the taper structure comprising a beam output segment, wherein the Beam output segment is set up to focus the light beam and couple it into the external medium, the taper structure between the beam input segment and the beam output segment comprises at least a first reflection surface, wherein the first reflection surface is set up to deflect the light beam out of the plane of the waveguide.
Die Ankopplung des Wellenleiters an das externe Medium kann insbesondere bidirektional erfolgen. Da der Strahlengang eines Lichtstrahls umkehrbar ist, bedeutet bidirektional im Zusammenhang mit dieser Erfindung, dass ein Lichtstrahl nicht nur mittels der optischen Vorrichtung aus dem Wellenleiter in das externe Medium einkoppelbar ist, sondern dass der Lichtstrahl auch mittels der optischen Vorrichtung aus dem externen Medium in den Wellenleiter einkoppelbar ist. Das Strahlenausgangssegment der zuvor beschriebenen optischen Vorrichtung ist dabei derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl aus dem externe Medium in die Taper-Struktur einzukoppeln, wobei der Lichtstrahl defokussiert wird, wobei die Taper-Struktur weiterhin zwischen dem Strahlenausgangssegment und dem Strahleneingangssegment zumindest eine erste Reflexionsfläche umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche derart eingerichtet ist, den vom Strahlenausgangssegment kommenden Lichtstrahl in die Ebene des Wellenleiters hinein abzulenken. Das Strahleneingangssegment der zuvor beschriebenen optischen Vorrichtung ist derart eingerichtet, den Lichtstrahl aus der Taper-Struktur in den Wellenleiter einzukoppeln.The waveguide can be coupled to the external medium in particular bidirectionally. Since the beam path of a light beam is reversible, bidirectional in the context of this invention means that a light beam can not only be coupled from the waveguide into the external medium by means of the optical device, but that the light beam can also be coupled from the external medium into the external medium by means of the optical device Waveguide can be coupled in. The beam output segment of the previously described optical device is set up in such a way that the light beam from the external medium is coupled into the taper structure, whereby the light beam is defocused, the taper structure further comprising at least a first reflection surface between the beam output segment and the beam input segment, wherein the first reflection surface is set up to deflect the light beam coming from the beam output segment into the plane of the waveguide. The beam input segment of the previously described optical device is set up to couple the light beam from the taper structure into the waveguide.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist eine optische Vorrichtung bereitzustellen, welche die Modenanpassung von planaren Wellenleitern an ein externes Medium beispielsweise an eine optische Faser oder Mikroskopobjektive ermöglicht. Da der Strahlengang des Lichtstrahls umkehrbar ist, lässt sich somit auch das externe Medium an einen planaren Wellenleiter anpassen. Die Anpassung erfolgt dabei über eine dreidimensionale Taper-Struktur, die z.B. mittels direktem Laserschreiben (DLW) generiert wird. Die optische Vorrichtung führt eine Änderung der Strahlrichtung der in der Ebene verlaufender Strahlen in die vertikale Dimension oder auch umgekehrt aus. Dazu wird insbesondere eine Reflexion des Lichtstrahls an einer Reflexionsfläche ausgenutzt.The basic idea of the present invention is to provide an optical device which enables the mode matching of planar waveguides to an external medium, for example to an optical fiber or microscope lenses. Since the path of the light beam is reversible, the external medium can also be adapted to a planar waveguide. The adjustment takes place via a three-dimensional taper structure, which is generated, for example, using direct laser writing (DLW). The optical device changes the beam direction of the beams running in the plane into the vertical dimension or vice versa. For this purpose, in particular, a reflection of the light beam on a reflection surface is used.
Die optische Vorrichtung verwendet keine wellenlängenselektiven (insbesondere diffraktiven) Elemente. Daher ist die Kopplungsbandbreite sehr breit und ein weites Spektrum an Wellenlängen kann über den Koppler in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Die Bandbreite ist nur durch das Transparenzfenster des Kopplers und des Wellenleiters beschränkt. Damit ist die Bandbreite um Größenordnungen besser als bei herkömmlichen Gitterkopplern oder andere diffraktiven Elementen. Die optische Vorrichtung ist insbesondere nicht durch Interferenzphänomene limitiert und bietet daher eine enorme Bandbreite. Weiterhin ist die optische Vorrichtung Plattform- sowie Polarisationsunabhängig und kann zur Ankopplung beispielsweise an beliebige Wellenleiter verwendet werden, was enorme Flexibilität mit sich bringt.The optical device does not use any wavelength-selective (particularly diffractive) elements. Therefore, the coupling bandwidth is very wide and a wide range of wavelengths can be coupled into the waveguide via the coupler. The bandwidth is only possible through the trans The parity window of the coupler and the waveguide is limited. This means that the bandwidth is orders of magnitude better than with conventional grating couplers or other diffractive elements. In particular, the optical device is not limited by interference phenomena and therefore offers an enormous bandwidth. Furthermore, the optical device is independent of platform and polarization and can be used for coupling to any waveguide, for example, which brings enormous flexibility.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Reflexionsfläche eine Totalreflexionsfläche ist. Die Totalreflexion hat den Vorteil, dass sie eine verlustfreie Strahlablenkung erlaubt.In a preferred embodiment of the invention, the first reflection surface is a total reflection surface. Total reflection has the advantage that it allows loss-free beam deflection.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Höhe der Taper-Struktur im Bereich des Strahleneingangssegments kontinuierlich verjüngt ist, während die Breite konstant gehalten ist, wodurch ein Hohlleiterbereich gebildet ist.In a further preferred embodiment of the invention, the height of the taper structure is continuously tapered in the region of the beam input segment, while the width is kept constant, whereby a waveguide region is formed.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an das Strahleneingangssegment ein im Wesentlichen kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich an, wobei sich die Breite und die Höhe des kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereichs linear vergrößern.In a preferred embodiment of the invention, the beam input segment is adjoined by a substantially conical or pyramid-shaped region, with the width and height of the cone-shaped or pyramid-shaped region increasing linearly.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an den kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich das Strahlenausgangssegment an, wobei das Strahlenausgangssegment einen im Wesentlichen gewölbten Bereich umfasst, wobei der im Wesentlichen gewölbte Bereich die zumindest erste Reflexionsfläche umfasst.In a further preferred embodiment of the invention, the beam output segment adjoins the conical or pyramid-shaped region, the beam output segment comprising a substantially curved region, the substantially curved region comprising the at least first reflection surface.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Taper-Struktur zumindest eine weitere Reflexionsfläche.In a preferred embodiment of the invention, the taper structure comprises at least one further reflection surface.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Strahlenausgangssegment eine kollimierende Linse. Durch die Strahlkollimierung werden die Ausrichte-Toleranzen von dem externen Medium gegenüber der optischen Vorrichtung entspannt. Dies ermöglicht die Faserkopplung mit industriellen Methoden ohne die Feinjustierung einzelner optischer Vorrichtungen.In a further preferred embodiment of the invention, the beam output segment comprises a collimating lens. Beam collimation relaxes the alignment tolerances of the external medium relative to the optical device. This enables fiber coupling using industrial methods without the fine-tuning of individual optical devices.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das externe Medium eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv.In a preferred embodiment of the invention, the external medium is an optical fiber or a microscope objective.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter ein planarer Wellenleiter.In a further preferred embodiment of the invention, the waveguide is a planar waveguide.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter auf einem Substrat angeordnet.In a preferred embodiment of the invention, the waveguide is arranged on a substrate.
Erfindungsgemäß ist der Wellenleiter als freistehender Wellenleiter-Arm ausgebildet. Durch den freistehenden Wellenleiter-Arm kann durch die Verstellung des Neigungswinkels des Wellenleiter-Arms simultan der Ausgangswinkel der optischen Vorrichtung eingestellt werden.According to the invention, the waveguide is designed as a free-standing waveguide arm. The free-standing waveguide arm allows the output angle of the optical device to be adjusted simultaneously by adjusting the inclination angle of the waveguide arm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Taper-Struktur aus einem Polymer gebildet.In a preferred embodiment of the invention, the taper structure is formed from a polymer.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die optische Vorrichtung mittels 3D Druck insbesondere mittels direktem Laserschreiben hergestellt.In a further preferred embodiment of the invention, the optical device is manufactured using 3D printing, in particular using direct laser writing.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter Teil eines Wellenleiterarrays.In a preferred embodiment of the invention, the waveguide is part of a waveguide array.
Es zeigen:
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1 eine nicht erfindungsgemäße schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, -
2 eine nicht erfindungsgemäße schematische Darstellung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, -
3 eine schematische Draufsicht eines Wellenleiterarrays mit einer Vielzahl von Wellenleitern und optischen Vorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
4 eine schematische Darstellung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 a schematic representation, not according to the invention, of an optical device for bidirectional coupling of a waveguide to an external medium according to a first exemplary embodiment, -
2 a schematic representation, not according to the invention, of an optical device for bidirectional coupling of a waveguide to an external medium according to a second exemplary embodiment, -
3 a schematic top view of a waveguide array with a plurality of waveguides and optical devices according to an embodiment of the invention, -
4 a schematic representation of an optical device for bidirectional coupling of a waveguide to an external medium according to an exemplary embodiment of the invention.
Die Taper-Struktur 2 wirkt zum einen als Modentransformator, der die sehr kleine Mode eines Wellenleiters 7 an die breite Strahlform optischer Glasfasern oder Mikroskope 6 anpasst. Andererseits erlaubt die optische Vorrichtung 1 es, eine Strahlablenkung aus der Ebene zu erreichen, so dass Wellenleiter 7 von der Chipoberfläche 16 zugänglich werden. Dies erfolgt über mehrere Elemente, die in 3D Freiformschreiben erzeugt werden können. Ein adiabatischer Übergang der Wellenleitermode in einen in der optischen Vorrichtung frei propagierenden Gausschen Strahl erfolgt mittels der Taper-Struktur 2. Diese weitet das Strahleneingangssegment 3, das an den Durchmesser des Wellenleiters 7 angepasst ist auf, um Verluste an den Rändern zu verhindern. Die Strahlumlenkung erfolgt über Reflexionsflächen 8. Aufgrund des Brechungsindexkontrastes zwischen dem Medium der Taper-Struktur und dem umgebenden Medium kommt es zur Totalreflexion, die ohne Verluste erfolgt. Der Brechungsindexkontrast bestimmt darin den maximalen Neigungswinkel der erreicht werden kann. Wenn höhere Winkel erreicht werden sollen können mehrfach-Reflexionen eingesetzt werden, welche ebenfalls verlustfrei erfolgen. Nach der Reflexion wird der Strahl 5 kollimiert und an das anschließende an das externe Medium bzw. das Modenführungselement angepasst, welches eine Glasfaser oder ein Mikroskopobjektiv sein kann.On the one hand, the
Der Wellenleiter kann beispielsweise aus Siliziumnitrid hergestellt sein. Das Strahleneingangssegment 4 kann beispielsweise aus einem Polymer bestehen und einen Polymer-Wellenleiter umfassen. Am Anfang des Strahleneingangssegments 4 wird für die Einkopplung des Lichtstrahls aus dem Wellenleiter 7 eine Eigenmodenquelle eingestellt, um die Lichtleistung eines Siliziumnitrids zu Polymer-Wellenleiter-Mode-Konverters nachzuahmen, der sich unmittelbar vor dem Strahleingangssegment 3 befindet. Der zunächst 0,5 µm breite Siliziumnitrid-Wellenleiter 7 ist linear nach unten verjüngt, während die Höhe des Polymer-Wellenleiters 4 kontinuierlich auf schließlich 1 µm verjüngt wird, während die Breite auf 1 µm konstant gehalten wird. Dieser Querschnitt des Polymerhohlleiters 3 wird gewählt, da aufgrund der Abschottung durch das untenstehende Substrat 12 aus Siliziumoxid nur die Grundmodi unterstützt werden. Daher ermöglicht es eine adiabatische Umwandlung der beiden Grundmodi des Siliziumnitrid-Wellenleiters 7 in die beiden Grundmodi des Polymer-Wellenleiters 3. Nach dieser Schnittstelle zur Polymerstruktur beginnt der kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich 10 der Taper-Struktur 2. Hier wird die Breite und Höhe des Polymerhohlleiters 3 linear vergrößert, bis der kegelförmige oder pyramidenförmige Bereich 10 auf den im Wesentlichen gewölbte Bereich 11 trifft. In diesem Bereich nimmt der Durchmesser des Strahls kontinuierlich zu und behält seine Gaussform. Da diese Erweiterung zunächst adiabatisch ist, ermöglicht dieses Schema eine getrennte Optimierung des hauptsächlich auf die Wellenlänge abzustimmenden Siliziumnitrid-Polymer-Wellenleiter-Modus-Konverters und der endgültigen Taper-Struktur 2, bei der der Modenfelddurchmesser der Faser, mit der das Licht gekoppelt wird, der zentrale Parameter ist. Wenn der Strahl nach der Verjüngung in den gewölbten Bereich 11 eintritt, breitet sich der Strahl freiraumartig aus. Aufgrund des relativ großen Strahldurchmessers im Vergleich zur Wegstrecke bis zur Linse des gewölbten Bereichs 11 weist der Strahl keine große Divergenz auf und breitet sich direkt zur Reflexionsfläche 8 aus, da dieser Abstand im Vergleich zur Rayleigh-Länge des Strahls am Ende des Kegels klein ist. Der Winkel der Reflexionsfläche 8 kann beispielsweise auf 39° in Bezug auf die Chipebene 16 gewählt werden, um dem 12° Winkel zu entsprechen, unter dem das 8° polierte Faserarray das Licht abgibt und sammelt. Nach der Reflexionsfläche 8 breitet sich der Lichtstrahl 5 in Richtung des gewölbten Bereichs 11 aus. Der gewölbte Bereich 11 dient dazu den divergierenden Strahl zu fokussieren und in das externe Medium 6 einzukoppeln.The waveguide can be made, for example, from silicon nitride. The
Die Taper-Struktur 2 der optischen Vorrichtung 1 kann beispielsweise mit einem Direkt-Laser-Schreibsystem (Nanoscribe Professional GT), einem 63-fachen Objektiv und IP-Dip als Resist hergestellt werden.The
Zusätzlich ist die Kopplungseffizienz unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichtes. Dies bedeutet, dass die optische Vorrichtung im Gegensatz zu herkömmlichen Gitterkopplern Licht beider üblichen Polarisationen (TE und TM) mit der gleichen Effizienz einkoppeln kann, solange der anschließende Wellenleiter diese ebenfalls unterstützt.In addition, the coupling efficiency is independent of the polarization of the incident light. This means that, in contrast to conventional grating couplers, the optical device can couple in light from both common polarizations (TE and TM) with the same efficiency, as long as the subsequent waveguide also supports them.
Über die freie Wahl des Einfallwinkels kann die optische Vorrichtung 1 an beliebige Faseranordnungen angekoppelt werden. So kann direkt unter 90° eingekoppelt werden, was für die mechanische Verbindung von Fasern 6 und Chip 16 von Vorteil ist. Für gerne eingesetzte polierte Faserfacetten, die unter Winkeln angeschliffen sind um Rückreflexionen zu vermeiden, kann ebenfalls ein optimaler Kopplungswinkel gewählt werden. Auch kann unter flachen Winkeln eingekoppelt werden, wenn die Faser nahe der Chipoberfläche geführt werden soll.The
Die Form der Taper-Struktur 2 der optischen Vorrichtung 1 ermöglicht den Einsatz von Totalreflexion für die Strahlumlenkung in einem integrierten Bauteil. Damit kann direkt aus beliebigen Winkeln (und insbesondere vertikal) an Wellenleiter gekoppelt werden, was ein wesentlicher Vorteil gegenüber anderen Kopplungsmethoden (wie z.B. Seiteneinkopplung) ist. Andere vertikale Kopplungsmethoden (grating coupler) sind auf die Diffraktionswinkel der planaren Strukturen beschränkt und können daher insbesondere nur schlecht unter 90° angesprochen werden.The shape of the
Weiterhin ist das Konzept mechanisch stabil und robust gegenüber Erschütterungen oder externen Störeinflüssen bei der Verwendung auf einem Chip 16.Furthermore, the concept is mechanically stable and robust against shocks or external interference when used on a
Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden von der Europäischen Union (H2020-EU.1.1.) unter der Fördervereinbarung Nr. 724707 (PINQS) finanziert.The work leading to this invention was funded by the European Union (H2020-EU.1.1.) under grant agreement No. 724707 (PINQS).
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- optische Vorrichtungoptical device
- 22
- Taper-StrukturTaper structure
- 33
- StrahleneingangssegmentBeam input segment
- 44
- StrahlenausgangssegmentBeam output segment
- 55
- LichtstrahlRay of light
- 66
- externes Mediumexternal medium
- 77
- Wellenleiterwaveguide
- 88th
- erste Reflexionsflächefirst reflection surface
- 99
- zweite Reflexionsflächesecond reflection surface
- 1010
- kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereichconical or pyramidal area
- 1111
- gewölbter Bereichcurved area
- 1212
- SubstratSubstrate
- 1313
- WellenleiterarrayWaveguide array
- 1414
- freistehender Wellenleiter-Armfree-standing waveguide arm
- 1515
- Mediummedium
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019009399.2A DE102019009399B4 (en) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | Optical device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019009399.2A DE102019009399B4 (en) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | Optical device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102019009399B4 true DE102019009399B4 (en) | 2024-02-01 |
Family
ID=89508090
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102019009399.2A Active DE102019009399B4 (en) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | Optical device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102019009399B4 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2442165B1 (en) | 2010-10-15 | 2015-04-15 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Coupling methods and systems using a taper |
-
2019
- 2019-06-06 DE DE102019009399.2A patent/DE102019009399B4/en active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2442165B1 (en) | 2010-10-15 | 2015-04-15 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Coupling methods and systems using a taper |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
GEHRING, H. [et.al.]: Low-loss fiber-to-chip couplers with ultrawide optical bandwidth. APL Photonics 4, 010801 (2019), S. 010801-1 bis 010801-7 |
GEHRING, H. [et.al.]: Low-loss fiber-to-chip couplers with ultrawide optical bandwidth. In: APL Photonics 4, 010801, 2019, S. 010801-1 bis 010801-7. - ISSN 2378-0967 |
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