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DE102019009399B4 - Optical device - Google Patents

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DE102019009399B4
DE102019009399B4 DE102019009399.2A DE102019009399A DE102019009399B4 DE 102019009399 B4 DE102019009399 B4 DE 102019009399B4 DE 102019009399 A DE102019009399 A DE 102019009399A DE 102019009399 B4 DE102019009399 B4 DE 102019009399B4
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DE
Germany
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waveguide
optical device
taper structure
segment
reflection surface
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German (de)
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Wolfram Pernice
Carsten Schuck
Fabian Beutel
Nicolai Walter
Helge Gehring
Wladick Hartmann
Martin Wolff
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Pixel Photonics GmbH
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Pixel Photonics GmbH
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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 EP 2 442 165 B1 ist eine optische Vorrichtung zum Handhaben eines Strahlungs-Strahls bekannt, wobei die optische Vorrichtung ein Halbleiterplättchen umfasst, umfassend einen integrierten optischen Halbleiter-Wellenleiterkern, integriert auf dem Halbleiterplättchen, und einen mindestens teilweise überlagernden Wellenleiter, umfassend mindestens eine erste Abschrägung, geformt zum Koppeln des Strahlungs-Strahls zwischen dem integrierten optischen Halbleiter-Wellenleiterkern und einem externen Medium, wobei die erste Abschrägung eine Eintritts-/Austritts-Seitenfläche zum Empfangen/Abgeben eines Strahlungs-Strahls von/zu dem externen Medium aufweist, wobei die Seitenfläche der ersten Abschrägung von der Kante des Halbleiterplättchens um eine Distanz d beabstandet ist, wobei die Distanz d mindestens 1 µm und weniger als 200 µm beträgt.From the EP 2 442 165 B1 An optical device for handling a beam of radiation is known, the optical device comprising a semiconductor die comprising an integrated semiconductor optical waveguide core integrated on the semiconductor die, and an at least partially overlying waveguide comprising at least a first bevel shaped for coupling the Radiation beam between the integrated semiconductor optical waveguide core and an external medium, the first bevel having an entrance/exit side surface for receiving/emitting a radiation beam from/to the external medium, the side surface of the first bevel being of the Edge of the semiconductor chip is spaced apart by a distance d, the distance d being at least 1 µm and less than 200 µm.

In „ 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 , ISSN 2378-0967“ wird eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters offenbart, bei der die Ablenkung des Lichtstrahls aus der Ebene des Wellenleiters heraus durch eine Biegung aus der Ebene heraus („out-of-plane bend“) erfolgt.In " GEHRING, H. [et.al.]: Low-loss fiber-to-chip couplers with ultrawide optical bandwidth. APL Photonics 4, 010801 (2019), pp. 010801-1 to 010801-7 , ISSN 2378-0967 “is an optical device for the bidirectional coupling of a world Lenleiters disclosed, in which the deflection of the light beam out of the plane of the waveguide takes place through a bend out of the plane (“out-of-plane bend”).

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:

  • 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.
Show it:
  • 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.

1 ist eine nicht erfindungsgemäße schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die optische Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Taper-Struktur 2, wobei sich die Taper-Struktur 2 grob in zwei Teile unterteilen lässt: ein Strahleneingangssegment 3, wobei das Strahleneingangssegment 3 zur Einkopplung eines Lichtstrahls 5 aus dem Wellenleiter 7 in die Taper-Struktur 2 dient und ein Strahlenausgangssegment 4, wobei das Strahlenausgangssegment 4 zur Fokussierung und Einkopplung des Lichtstrahls 5 in das externe Medium 6 dient. Die Einkopplung des Lichtstrahls 5 kann insbesondere bidirektional erfolgen. Da bei der optischen Vorrichtung 1 der Strahlengang des Lichtstrahls 5 umkehrbar ist, kann der Lichtstrahl 5 somit auch aus dem externen Medium 6 mittels der optischen Vorrichtung 1 in den Wellenleiter 7 eingekoppelt werden. Der Lichtstrahl 5 wird dabei aus dem externen Medium 6 in das Strahlausgangssegment 4 eingekoppelt und defokussiert. Der Lichtstrahl 5 wird dann mittels der ersten Reflexionsfläche 8 in die Ebene des Wellenleiters 7 hinein zum Strahleneingangssegment 3 hin abgelenkt und in den Wellenleiter 7 eingekoppelt. Das externe Medium 6 kann beispielsweise eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv sein. Das Strahleneingangssegment 3 umfasst bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich 10. Das Strahlenausgangssegment 4 umfasst dabei einen im Wesentlichen gewölbten Bereich 11, wobei der gewölbte Bereich 11 eine erste Reflexionsfläche 8 umfasst. Wie in 1 im Querschnitt gezeigt wird ein planarer Wellenleiter 7 an die Taper-Struktur 2 gekoppelt. Im Wellenleiter 7 propagierendes Licht wird zunächst in der Strahlgröße durch die Taper-Struktur 2 aufgeweitet. Der erzeugte Gaussche Strahl fällt danach auf die Reflexionsfläche 8, an der Totalreflexion stattfindet. Dadurch wird die Strahlrichtung geändert und nach oben abgelenkt. Um einen kollimierten Strahl zu erhalten umfasst das Strahlenausgangssegment 4 einen im Wesentlichen gewölbten Bereich 11, wobei der gewölbte Bereich z.B. eine Linsenform haben kann. 1 is a schematic representation, not according to the invention, of an optical device 1 for bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a first exemplary embodiment. The optical device 1 essentially consists of a taper structure 2, the taper structure 2 being roughly divided into two parts: a beam input segment 3, the beam input segment 3 being used to couple a light beam 5 from the waveguide 7 into the taper structure 2 is used and a beam output segment 4, the beam output segment 4 being used for focusing and coupling the light beam 5 into the external medium 6. The light beam 5 can be coupled in, in particular, bidirectionally. Since in the optical device 1 the beam path of the light beam 5 is reversible, the light beam 5 can therefore also be coupled from the external medium 6 into the waveguide 7 by means of the optical device 1. The light beam 5 is coupled from the external medium 6 into the beam output segment 4 and defocused. The light beam 5 is then deflected into the plane of the waveguide 7 towards the beam input segment 3 by means of the first reflection surface 8 and coupled into the waveguide 7. The external medium 6 can be, for example, an optical fiber or a microscope lens. The beam input segment 3 includes in the in 1 The exemplary embodiment shown has a conical or pyramid-shaped region 10. The beam output segment 4 comprises a substantially curved region 11, the curved region 11 comprising a first reflection surface 8. As in 1 Shown in cross section, a planar waveguide 7 is coupled to the taper structure 2. Light propagating in the waveguide 7 is first expanded in beam size by the taper structure 2. The Gaussian beam generated then falls on the reflection surface 8, where total reflection takes place. This changes the direction of the beam and deflects it upwards. In order to obtain a collimated beam, the beam output segment 4 comprises a substantially curved region 11, wherein the curved region can have a lens shape, for example.

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 taper structure 2 acts as a mode transformer, which adapts the very small mode of a waveguide 7 to the wide beam shape of optical glass fibers or microscopes 6. On the other hand, the optical device 1 allows beam deflection to be achieved out of the plane, so that waveguides 7 become accessible from the chip surface 16. This is done via several elements that can be created in 3D freeform writing. An adiabatic transition of the waveguide mode into a Gaussian beam that propagates freely in the optical device occurs by means of the taper structure 2. This expands the beam input segment 3, which is adapted to the diameter of the waveguide 7, in order to prevent losses at the edges. The beam is deflected via reflection surfaces 8. Due to the refractive index contrast between the medium of the taper structure and the surrounding medium, total reflection occurs, which occurs without losses. The refractive index contrast determines the maximum inclination angle that can be achieved. If higher angles are to be achieved, multiple reflections can be used, which also occur without loss. After reflection, the beam 5 is collimated and adapted to the subsequent external medium or the mode guide element, which can be a glass fiber or a microscope objective.

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 beam input segment 4 can, for example, consist of a polymer and include a polymer waveguide. At the beginning of the beam input segment 4, an intrinsic mode source is set for coupling the light beam from the waveguide 7 in order to imitate the light output of a silicon nitride to polymer waveguide mode converter, which is located immediately in front of the beam input segment 3. The initially 0.5 µm wide silicon nitride waveguide 7 tapers linearly downwards, while the height of the polymer waveguide 4 is continuously tapered to finally 1 µm, while the width is kept constant at 1 µm. This cross section of the polymer waveguide 3 is chosen because only the basic modes are supported due to the isolation by the substrate 12 made of silicon oxide below. Therefore, it enables an adiabatic conversion of the two basic modes of the silicon nitride waveguide 7 into the two basic modes of the polymer waveguide 3. After this interface to the polymer structure, the conical or pyramid-shaped region 10 of the taper structure 2 begins. This is where the width and height of the polymer waveguide 3 linearly enlarged until the conical or pyramid-shaped area 10 meets the essentially curved area 11. In this region, the diameter of the beam increases continuously and maintains its Gaussian shape. Since this extension is initially adiabatic, this scheme allows for separate optimization of the wavelength-tuned primarily silicon nitride polymer waveguide mode converter and the final taper structure 2, where the mode field diameter of the fiber to which the light is coupled is is the central parameter. When the beam enters the curved area 11 after the taper, the beam spreads out like a free space. Due to the relatively large beam diameter compared to the distance to the lens of the curved area 11, the beam does not have a large divergence and propagates directly to the reflection surface 8, since this distance is small compared to the Rayleigh length of the beam at the end of the cone. The angle of the reflection surface 8 can, for example, be chosen to be 39° with respect to the chip plane 16 to correspond to the 12° angle at which the 8° polished fiber array emits and collects the light. After the reflection surface 8, the light beam 5 spreads in the direction of the curved area 11. The curved area 11 serves to focus the diverging beam and to couple it into the external medium 6.

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 taper structure 2 of the optical device 1 can be produced, for example, with a direct laser writing system (Nanoscribe Professional GT), a 63x lens and IP dip as a resist.

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 optical device 1 can be coupled to any fiber arrangement via the free choice of the angle of incidence. This means that coupling can be carried out directly at 90°, which is advantageous for the mechanical connection of fibers 6 and chip 16. An optimal coupling angle can also be selected for frequently used polished fiber facets that are ground at angles to avoid back reflections. Coupling can also be carried out at shallow angles if the fiber is to be guided close to the chip surface.

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 taper structure 2 of the optical device 1 enables the use of total reflection for beam deflection in an integrated component. This allows direct coupling to waveguides from any angle (and especially vertically), which is a significant advantage over other coupling methods (such as side coupling). Other vertical coupling methods (grating couplers) are limited to the diffraction angles of the planar structures and can therefore only be addressed with difficulty below 90°.

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 chip 16.

2 zeigt eine nicht erfindungsgemäße schematische Darstellung einer optische Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Für Anwendungen in denen geringerer Brechungsindexkontrast auftritt, z.B. wenn die Koppler in einem Medium 15 wie z.B. Wasser eingetaucht sind, können Mehrfach-Reflexionen ausgenützt werden um den Strahl abzulenken. Über die Anpassung des Beugungswinkels der Reflexionsfläche 8, 9 können beliebige Ausgangswinkel erfasst werden. Damit ist es insbesondere möglich unter 90° Einfall auf den Chip 16 zu koppeln. 2 shows a schematic representation not according to the invention of an optical device 1 for bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a second exemplary embodiment. For applications in which lower refractive index contrast occurs, for example when the couplers are immersed in a medium 15 such as water, multiple reflections can be used to deflect the beam. Any starting angle can be detected by adjusting the diffraction angle of the reflection surface 8, 9. This makes it possible in particular to couple to the chip 16 at 90° incidence.

3 zeigt eine schematische Draufsicht eines Wellenleiterarrays 13 mit einer Vielzahl von Wellenleitern 7 und optischen Vorrichtungen 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Über Markersuche und Alignment können viele optische Vorrichtungen 1 an Wellenleiterarrays 13 angesetzt werden und damit eine große Anzahl an Bauelementen optisch angesprochen werden. Die optische Vorrichtung 1 ist skalierbar und kann über skalierbare Fertigungsmethoden hergestellt werden und ist damit für die Massenfertigung geeignet. Dies ermöglicht die direkte Ankopplung an Faserarrays 13 in welchen viele optische Fasern gebündelt sind. Durch die optische Vorrichtung 1 wird eine parallele und verlustarme Auslese vieler Wellenleiterkanäle 7 ermöglicht. 3 shows a schematic top view of a waveguide array 13 with a plurality of waveguides 7 and optical devices 1 according to an exemplary embodiment of the invention. Using marker search and alignment, many optical devices 1 can be attached to waveguide arrays 13 and thus a large number of components can be optically addressed. The optical device 1 is scalable and can be manufactured using scalable manufacturing methods and is therefore suitable for mass production. This enables direct coupling to fiber arrays 13 in which many optical fibers are bundled. The optical device 1 enables parallel and low-loss reading of many waveguide channels 7.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die optische Vorrichtung 1 kann an beliebige Wellenleiter 7 angesetzt werden. Durch die adiabatische Aufweitung der Strahlform kann quasi verlustfrei eingekoppelt werden. Die optische Vorrichtung kann auch mit weiteren Chipelementen problemlos kombiniert werden. Durch die Fixierung der optischen Vorrichtung 1 an den Wellenleiter 7 kann der Koppler durchstimmbar im Emissionswinkel gemacht werden. Beispielsweise ist in 4 die Verwendung einer beweglichen Struktur gezeigt, wodurch der Strahlwinkel angepasst werden kann, ohne die Kopplungseffizienz zu verlieren. Dazu wird die Taper-Struktur 2 an einem freistehenden Wellenleiter 14 befestigt. Dieser freistehende Wellenleiter-Arm 14 kann mechanisch beispielsweise mit Hilfe von Elektroden bewegt werden. Durch die Verstellung des Neigungswinkels des Wellenleiters 14 kann dann simultan der Ausgangswinkel der optischen Vorrichtung 1 eingestellt werden. Dies ermöglicht den Einsatz für Beam-Steering und Lidar-Anwendungen. Ebenfalls wird dadurch der Einsatz in Phase-Arrays und kollektiven Emittern ermöglicht. 4 shows a schematic representation of an optical device 1 for bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to an exemplary embodiment of the invention. The optical device 1 can be attached to any waveguide 7. Due to the adiabatic expansion of the beam shape, coupling can be achieved virtually without loss. The optical device can also be easily combined with other chip elements. By fixing the optical device 1 to the waveguide 7, the coupler can be made tunable in the emission angle. For example, in 4 demonstrated the use of a movable structure, allowing the beam angle to be adjusted without losing coupling efficiency. For this purpose, the taper structure 2 is attached to a free-standing waveguide 14. This free-standing waveguide arm 14 can be moved mechanically, for example with the help of electrodes. By adjusting the angle of inclination of the waveguide 14, the output angle of the optical device 1 can then be adjusted simultaneously. This enables use for beam steering and lidar applications. This also enables use in phase arrays and collective emitters.

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)

Optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters (7) an ein externes Medium (6) umfassend zumindest eine Taper-Struktur (2), 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, und 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.Optical device for bidirectional coupling of a waveguide (7) to an external medium (6), comprising at least one taper structure (2), the taper structure (2) comprising a beam input segment (3), the beam input segment (3) being set up in this way is to couple a light beam (5) from 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 supply the light beam (5). focus and couple into the external medium (6), and 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 this way to deflect the light beam (5) out of the plane of the waveguide (7), characterized in that the waveguide (7) is designed as a free-standing waveguide arm (14). Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reflexionsfläche (8) eine Totalreflexionsfläche ist.Optical device according to Claim 1 , characterized in that the first reflection surface (8) is a total reflection surface. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Taper-Struktur (2) im Bereich des Strahleneingangssegments (3) kontinuierlich verjüngt ist, während die Breite konstant gehalten ist, wodurch ein Hohlleiterbereich gebildet ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the height of the taper structure (2) is continuously tapered in the region of the beam input segment (3), while the width is kept constant, whereby a waveguide region is formed. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an das Strahleneingangssegment (3) ein im Wesentlichen kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich (10) anschließt, wobei sich die Breite und die Höhe des kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereichs (10) linear vergrößern.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam input segment (3) is adjoined by a substantially conical or pyramid-shaped region (10), the width and height of the conical or pyramid-shaped region (10) increasing linearly. Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich (10) das Strahlenausgangssegment (4) anschließt, wobei das Strahlenausgangssegment (4) einen im Wesentlichen gewölbten Bereich (11) umfasst, wobei der im Wesentlichen gewölbte Bereich (11) die zumindest erste Reflexionsfläche (8) umfasst.Optical device according to Claim 4 , characterized in that the beam output segment (4) adjoins the conical or pyramid-shaped region (10), the beam output segment (4) comprising a substantially curved region (11), the substantially curved region (11) being the at least first Reflection surface (8). Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taper-Struktur (2) zumindest eine weitere Reflexionsfläche (9) umfasst.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the taper structure (2) comprises at least one further reflection surface (9). Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenausgangssegment (4) eine kollimierende Linse umfasst.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam output segment (4) comprises a collimating lens. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Medium (6) eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the external medium (6) is an optical fiber or a microscope objective. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) ein planarer Wellenleiter ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is a planar waveguide. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) auf einem Substrat (12) angeordnet ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is arranged on a substrate (12). Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taper-Struktur (2) aus einem Polymer gebildet ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the taper structure (2) is formed from a polymer. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (1) mittels 3D Druck insbesondere mittels direktem Laserschreiben hergestellt ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical device (1) is produced by means of 3D printing, in particular by means of direct laser writing. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) Teil eines Wellenleiterarrays (13) ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is part of a waveguide array (13).
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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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