WO2015071317A1 - Optical coupling device and method for operation thereof - Google Patents

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WO2015071317A1
WO2015071317A1 PCT/EP2014/074385 EP2014074385W WO2015071317A1 WO 2015071317 A1 WO2015071317 A1 WO 2015071317A1 EP 2014074385 W EP2014074385 W EP 2014074385W WO 2015071317 A1 WO2015071317 A1 WO 2015071317A1
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WO
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distance
coupling
source
sink
plane
Prior art date
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PCT/EP2014/074385
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German (de)
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Inventor
Marcel Kroh
Matthias Jäger
Danny Volkmann
Original Assignee
Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut Für Innovative Mikroelektronik
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Publication date
Application filed by Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut Für Innovative Mikroelektronik filed Critical Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut Für Innovative Mikroelektronik
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/30Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/422Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements
    • G02B6/4227Active alignment methods, e.g. procedures and algorithms

Definitions

  • the invention relates to an optical coupling device for coupling a light beam, which can be coupled out of a decoupling plane defining an outcoupling surface of an optical source, in an optical sink, which has a coupling surface, which defines a Einkoppelebene.
  • the invention further relates to an operating method of an optical coupling device.
  • the present invention is based on the recognition that for an on-wafer test in the field of integrated optics, as is usual for comparison in the field of electronics, a fully automated adjustment of the coupling of source and drain is required.
  • the invention further recognizes that, as an essential prerequisite for an automatic distance adjustment between source and sink required in this context, firstly a precise automatic determination of the current distance is required, in order then to be able to automatically set a predetermined distance value in a further step.
  • the invention initially provides an operating method of an optical coupling device for automatically determining a distance value belonging to a set value of a distance manipulated variable, for example an actuator position, such as a distance servomotor position a light beam emitting optical source and an optical well into which the light beam is to be coupled, comprising:
  • reference beamwidth data representing values of a beamwidth as a function of different distance values between a source coupling-out plane and a sinking plane of the sink
  • the operating method of the first aspect of the invention enables a three-axis automatically positionable holding device of a coupling device for coupling a light beam to determine the actual value of the vertical distance in metric units given at a current distance servomotor position. For this purpose, it relies on an automatic measurement of the beam width in the coupling plane of the sink. As Einkoppelebene that plane is called, which contains the planar coupling surface of the sink.
  • the coupling-in plane is in some embodiments parallel or approximately parallel to the coupling-out plane of the source, which is defined by a plane coupling-out surface. In contrast, in other embodiments, it is not parallel to the output node of the source.
  • the use of the coupling-out plane and the coupling-in plane as a measure of the distance between source and sink is not meant to limit the invention to these levels for determining the distance.
  • Other distance measures, which allow a conclusion on the distance between source and sink, can be used.
  • the method first takes a variety of measurements of the coupled Light intensity at different positions of the coupling plane before. For this purpose, an automatic positioning is performed with at least one of the two lateral servo motors. The collected intensity data is used to determine how far the beam has been expanding since it left the source. Since this quantity is directly related to the distance between the light source and the sink, the distance value can be determined from the determined beam width. For this purpose, use is made of reference beam width data which are already known at the time of determining the distance value.
  • distance differs in different embodiments of apparatuses and methods according to the invention, and it is possible to convert between the perpendicular distance known from the intuition and other distance definitions by calculation methods known per se.
  • the distance is to be understood as meaning the distance along an imaginary extension of a fiber axis to a chip surface. This appears the most physically meaningful definition for the typical application.
  • Alternative embodiments define the distance from a center of a fiber end surface to the chip surface in a direction perpendicular to the chip surface. The variants differ only if the coupling-in plane is not parallel to the coupling-out plane. The difference leads to changed model parameters, which are used in further developments of the method.
  • the light source is supplied by a laser source, for example a tunable laser source (TLS).
  • a photodetector is preferably used to convert the optical signal into an electrical signal.
  • This may be, for example, a photodiode, which is integrated in a power meter.
  • the power meter can directly output the received light output as a digital signal, for example via a GPIB bus.
  • either source or drain is identical to an optical fiber.
  • the respective other side is in such exemplary embodiments particularly preferably a grating coupler, which is connected via a waveguide on the chip to a further grating coupler and via a fiber to the corresponding device.
  • a photodiode as a sink or a laser source is integrated on a chip and is contacted only electrically.
  • the source itself is a laser or an LED, or that the sink itself is a photodetector.
  • the laser used always delivers the same power during the measurement. If this is not the case, the system is extended by a measurement of the power change, and the ratio of output to input power is evaluated as a measurement signal.
  • servomotors preferably highly accurate motors, such as stepper motors or piezo actuators are used.
  • Such an embodiment additionally includes, prior to determining the offset value, a process for capturing the reference beamwidth data in an automatic calibration procedure prior to determining the distance.
  • the calibration procedure contains the following steps:
  • a control motor zero distance corresponding to a vanishing vertical distance value is determined based on the determined expansion function and the beam model.
  • the quantity representing the beamwidth of the light beam coupled out from the source in the launching plane is either the half-value width (in one dimension) or half-value area (in two dimensions) of the light beam or the 1 / e-width or area of the light intensity in at least one direction in the Einkoppelebene, and wherein the adjustment of the plurality of lateral relative positions for detecting light intensities at the same distance actuator position in a lateral direction at least until falling below the half values and the 1 / e-values of the light intensity on both sides an intensity main maximum is performed. Measuring in just one dimension simplifies the process. On the other hand, measurement in two dimensions allows for greater accuracy.
  • the beam model for the light coupled out of the decoupling plane corresponds in preferred applications to a Gaussian beam profile.
  • deviating profiles can be used in connection with the method according to the invention.
  • a deviation from the Gaussian profile can, for example, be taken into account with a beam quality parameter designated M 2 .
  • the beam quality parameter M 2 describes the deviation from the Gaussian beam in a simple model.
  • the Gaussian beam is the physical limit of focusability that minimizes the product of aperture angle and beam waist.
  • the beam quality parameter M 2 is equal to one for the Gauss beam. For deviant rays, it becomes greater than one.
  • the product of opening angle and beam waist is in this case larger by a factor of M 2 .
  • An extended by M 2 formula of the Gaussian beam is sufficient to even for strongly deviating from the Gaussian beam - even those with multiple maxima - to define a beam width as a function of the height. Since the beam width is defined here not by the drop to a certain value but by percentiles, a measurement is necessary to further distances. at Multimode beam distributions or beam distributions with multiple maxima require a very large lateral area to be scanned. The feasibility of such additional measurements limits the applicability of a model based on a Gaussian profile. Therefore, in this case, another preferred embodiment of the method is used. The following are some possible cases: a) Consider first the case of coupling where only the source or sink has a beam distribution with (at least at some distances) several maxima.
  • a second aspect of the present invention is a control method of a self-aligning optical coupling device adjustable with three-dimensional servomotors for automatically setting a predetermined vertical distance between an optical source and an optical sink, comprising: driving at least one of the servomotors to set a predetermined starting distance; Servomotor position, which allows the coupling of a detectable light intensity of the coupled out of the source light beam in a coupling surface of the sink without risk of direct mechanical contact between the source and sink; Performing a method according to the first aspect of the invention or one of its embodiments for determining a distance value associated with the start actuator position;
  • a third aspect of the invention is an optical coupling device for coupling a light beam, which can be coupled out of a decoupling surface defining an outcoupling surface of an optical source, in an optical well having a coupling surface, which defines a Einkoppelebene comprising
  • a holding device with controllable servomotors which is designed to set relative positions of the source and the sink to one another in three dimensions
  • a sensor unit which is arranged and designed to generate and output an intensity signal which is a measure of a light intensity coupled out from the source and coupled into the coupling surface of the sink;
  • a control device which is designed to control the determination of a vertical distance value between the Auskoppelebene and determined by the set Stellmotor- distance position Einkoppelebene the holding device to set a plurality of different lateral Stellmotorpositionen the coupling surface in the Einkoppelebene and to control the sensor unit, in the set lateral Servomotor positions each to capture the coupled from the source and coupled into the sink light intensity,
  • an evaluation unit which is designed to calculate a value of a quantity representing a beam width of the beam coupled out from the source in the coupling-in plane for each set actuator distance position on the basis of the light intensities detected in the different lateral actuator positions and on the basis of predetermined reference beam width data Specify values of the beam width as a function of distance values between the coupling-out plane and the coupling-in plane to determine the given vertical distance value.
  • the special design of the control device makes it possible to control the holding device that can be positioned automatically in three axes in such a way that with the aid of the evaluation unit an actual value of the vertical distance in metric units given at a current distance servomotor position is determined can.
  • the device allows an automatic measurement of the beam width in the coupling plane of the sink. To this Way, the foundation is created for a precise self-positioning in three dimensions.
  • control device is additionally designed to control the holding device, the sensor unit and the evaluation unit for carrying out an automatic calibration procedure
  • control device is designed for the self-adjusting setting of a predetermined vertical distance value between the optical source and the optical sink
  • control device is additionally designed to control at least one of the servomotors to set a predetermined lateral relative position.
  • known methods can be used with which a lateral position of maximum coupling efficiency is determined and set.
  • a preferred application of the coupling device is an optoelectronic device with a light source, a coupler device according to the third aspect of the invention or one of its described embodiments, a supply line for emitted from the light source electromagnetic waves to the coupler device, and a derivative of electromagnetic waves output from the coupler device.
  • Another application of the invention is an optical arrangement with an integrated-optical coupler device according to the invention or one of its described embodiments or an optoelectronic device described in the last paragraph, and with the coupling grid for coupling or decoupling the electromagnetic waves suitably facing optical multimode fiber.
  • FIG. 1 shows a measured intensity distribution of coupled-in light as a function of the lateral position in the xy plane using the example of an approximately Gaussian beam at a distance of approximately 20 ⁇ between a grating coupler as a source and a single-mode fiber as a sink;
  • FIG. 2 shows a measured intensity distribution of coupled-in light as a function of the lateral position in the xy plane using the example of an approximately Gaussian beam at a distance of approximately 100 ⁇ m between a grating coupler as source and a single-mode fiber as sink; 3a, b schematic representations of embodiments of an optical coupling device;
  • FIG. 4 is a block diagram of an embodiment of an optical coupling device
  • FIGS. 5a-c are diagrams showing examples of reference beam width data
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of an operating method of an optical coupling device for determining a current distance value between a source and a sink
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of an operating method of an optical coupling device for determining reference beam width data
  • FIG. 8 shows an embodiment of an operating method of a self-aligning optical coupling device.
  • FIG. 1 shows a measured intensity distribution of coupled-in light as a function of the lateral position in the xy plane using the example of an approximately Gaussian beam at a distance of approximately 20 ⁇ between a grating coupler as a source and a single-mode fiber as a sink.
  • Fig. 2 shows a corresponding representation of the Gaussian beam of Fig. 1 at a distance of about 100 ⁇ between the grating coupler and the single-mode fiber.
  • the comparison of the two measured intensity distributions clearly shows a widening of an initially narrow, over a range of about 10 ⁇ extending maximum of the intensity distribution at a small distance to a broad maximum, the entire detected scale range of 20 ⁇ in the x and y direction covered.
  • FIGS. 3a and 3b are schematic illustrations for explaining terms used in the further description of embodiments of the optical coupling device.
  • the illustration in FIGS. 3a and 3b is greatly simplified and focuses on schematic representations of essential geometric relationships.
  • 3a shows a coupling device for coupling in a light beam, which can be coupled out of a decoupling surface of a grating coupler 14 defining a decoupling plane 16.
  • the grating coupler thus forms an example of an optical source.
  • a fiber 10 is exemplified, which is shown here in a longitudinal section.
  • the fiber 10 has at its lower end a coupling surface 11 which defines a Einkoppelebene 12.
  • the decoupling plane 16 and the Einkoppelebene 12 are parallel to each other and have a distance h to each other, which corresponds to the vertical distance between the Einkoppelebene 12 of the Auskoppelebene 16.
  • FIG. 3b shows a slightly modified embodiment of a coupling device, which differs from the coupling device shown in FIG. 3b in that the coupling-in plane 12 is inclined relative to the coupling-out plane 16 due to an inclination of the fiber 10.
  • the distance between the decoupling surface 16 and the coupling surface 11 is measured in the present example along an imaginary extension of a fiber axis A between the coupling plane 11 and the decoupling plane 16, ie the chip surface 15 and marked with h '.
  • a light beam S is coupled out during operation of the illustrated device and must be coupled into the fiber 10.
  • either the fiber, or the chip 15, on which the grating coupler 14 is arranged, or to adjust both the fiber and the chip in the three spatial directions x, y and z, to a desired optimal coupling of the beam in the fiber achieve.
  • the lateral adjustment as such is known to the person skilled in the art and will not be discussed further here become.
  • the adjustment of the distance is based on the devices and process guides shown below with reference to further exemplary embodiments in FIGS. 4 to 8.
  • FIG. 4 shows, on the basis of a block diagram of an embodiment of an optical coupling device, functional units which are used in exemplary embodiments of the coupling device according to the invention.
  • functional units which are used in exemplary embodiments of the coupling device according to the invention.
  • On the concrete representation of mechanical components can be omitted, since it depends on the functional control of the adjustable components in the context of automated process management.
  • light source which may be either the fiber 10 or the grating coupler 14 depending on the desired application (therefore the reference numerals 10/14 and 14/10 for source and sink in Fig.
  • the position of the light sink which may also be grating coupler 14 or fiber 10 may be adjusted.
  • the grating coupler 14 is always adjusted together with the chip 15 carrying it.
  • stepping motors are provided for both optical elements, ie fiber 10 and grating coupler 14.
  • a Justierlaser 20 and a photodetector 22 for example in the form of an optical power meter (power meter) or in the form of a photodiode available.
  • the path of the light in the adjustment of the device in the present example is indicated by a dashed line.
  • a control unit 24 is provided, either in the form of an integrated circuit (e.g., ASIC) or in the form of a software engine appropriately configured computer.
  • the control unit 24 is connected to a reference data memory 26 on the one hand and to an evaluation unit 28 on the other hand.
  • the holding device 18 in accordance with the control unit 24 by means of the three servomotors 18.1 to 18.3 in three dimensions by the control unit predetermined relative position of the source and the sink to each other.
  • the likewise controlled by the control unit 24 Justierlaser 20 generates to measure the coupling efficiency of a light beam, the is passed through the light source and the light sink in their current relative position to each other.
  • more or less light from the light source is coupled into the light sink.
  • the coupled amount of light is detected by means of the sensor unit 22 in the form of the photodiode.
  • the electrical intensity signal generated by it is forwarded on the one hand to the control device 24 and on the other hand to the evaluation unit 28.
  • the control device is designed, in particular, to control the coupling device for calibration and after calibration for determining a distance value h or h 'between the coupling-out plane, that is, for example, the plane 16 and the coupling-in plane, ie, plane 12, for example, as described below with reference to the methods described there is explained in more detail.
  • the measurements to be made are based on the determination of the beam width in at a given distance.
  • the control unit 24 controls the holding device 18 to set a multiplicity of different servomotor positions for a given distance. In order to be able to hold the plane at different lateral positions, it is therefore important to know the angle between the coupling plane and the coupling-out plane. This must be entered in advance or otherwise determined.
  • the measurements for determining the beam width can be carried out as a one-dimensional scan or as a two-dimensional scan. A two-dimensional scan is more accurate. The accuracy of the measurement of the beam width can be further determined by the number of measuring points at a given distance.
  • the sensor unit 22 measures in each set actuator positions at a given distance in each case the decoupled from the grating coupler 14 and coupled into the fiber 10 light intensity.
  • the evaluation unit calculates a value for the set distance on the basis of the light intensities detected in the different lateral actuator positions at this distance, which value represents a beam width which the beam coupled out by the grating coupler 14 has in the coupling-in plane 11.
  • the given distance value is determined by the evaluation unit 28.
  • 5 a is an example diagram which shows measured values of a beam width determined by the method according to the invention as a function of the distance between coupling grating and Represents fiber.
  • the beam width is reproduced here as a spot radius w, which corresponds to half the beam width 2w. Measuring points are reproduced in the form of crosses.
  • the beam profile of a Gaussian beam calculated using a mathematical formula is shown as a solid line.
  • the representation shows the reliability of the distance determination based on the beam width.
  • the extrapolation helps to determine the non-metrologically detectable spot radius w 0 with vanishing distance between the grating coupler 14 and the fiber 10. With the help of interpolation, it is possible to determine a precise value of the distance between grating coupler and fiber for each value of the beamwidth experimentally determined in the further course.
  • the beam width in the form of the spot radius is calculated using the following formula for Gaussian beams:
  • w indicates the beam radius
  • (hh 0ff ) the distance between source and sink
  • the wavelength
  • n the refractive index.
  • the correction factor h 0ff compensates for an offset between the positions of the actuators h and the actual distance between source and sink. With off- focus and defocusing elements, h off can compensate for the resulting offset as a source or sink. In this case, however, (hh 0ff ) is no longer identical to the physical distance between source and sink.
  • the light beam emitted by a source is not an ideal Gaussian beam.
  • the beam width in the form of the beam radius as a function of the distance between source and sink results from the formula for the beam expansion of Gauss beams, taking into account the beam quality parameter in addition to the already explained symbols in this formula, the beam quality parameter M 2 is used, which is based on the formula is determinable.
  • the distance can be represented as a function of the beam width as
  • 5b shows the dependence of the beam width as a function of the distance from the beam waist, ie the narrowest beam cross section as a function of different parameter values of the beam quality.
  • FIG. 6 is a flowchart of one embodiment of an operating method of an optical coupling device as in FIG. 4, for determining a current distance value between a source and a sink.
  • the flowcharts of FIGS. 6 to 8 show the z position as an example of the distance value assume, that is adjustable with only a single actuator value.
  • the distance value (h or h ') can be set in other variants by adjusting at least two, typically all three servomotors.
  • the restriction to the example of an adjustment using only the z-position is therefore not to be understood as limiting, but merely in the context of a simple example, with the help of which the function and the steps to be performed can be explained particularly easily.
  • a first value of a lateral, ie xy, position is first set (step S12) and with the alignment laser switched on or with the light source of the device to be adjusted switched on at the set xy position the injected intensity is measured (S14). Subsequently, it is checked if a new x-y position is to be set (S16). If so, the process returns to step S12 and repeats steps S12 through S16 until the test at step S16 reveals that the control unit is not setting a new XY position. In this way, therefore, a scan of the intensity distribution in the x-y plane to the set distance (here z) is performed.
  • a value of the beam width for the given distance value is then determined.
  • the determined beam width subsequently makes it possible to determine the beam width by means of previously stored reference beam width data, as shown in FIGS. 5a to 5c (step S20).
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of an operating method of an optical coupling device according to the invention for determining reference beam width data, which can also be referred to as calibration beam width data.
  • This method may be performed prior to the method of FIG. 6 to provide the reference beamwidth data.
  • This method can also be carried out fully automatically, which is a great advantage in particular in the industrial production of optoelectronic components or in applications in which frequently changing chips have to be coupled (eg, biosensors).
  • a predetermined number of xy positions are set for various distance values each set in a step S30 (S32), and the intensity is measured at these xy positions (S34). From the measurement at a given distance position, the respective beam width is determined in each case (S38). This step can also be done later in the process be performed.
  • the same measuring method is carried out by control with the aid of step S40 for all z positions predefined by the control unit, ie distance values.
  • a widening function is determined as a function of the actuating motor distance position (S42). This corresponds, for example, to the curve drawn in a solid line in the diagram in FIG. 5a.
  • the zero position of the distance adjusting motor can be determined either by comparing the measured data with the determined expansion function (S42), or alternatively by means of an additional measuring method.
  • the distance zero point of the servomotor can be determined by means of an input, ie by definition.
  • the reference beam width data thus determined are then stored in the form of model parameters and / or beam width data as a function of the distance (S46), in order then to be used for later distance determinations according to FIG.
  • Fig. 8 shows an example of an operation method of a self-aligning optical coupling device for setting a distance command value.
  • the procedure assumes that the device has previously been calibrated according to the method of FIG. 7, for example.
  • a distance command value is received as a control input.
  • a pre-configurable coarse distance position is set (S52), which ensures that neither the source nor the sink will be damaged by setting this coarse distance value.
  • the distance value thus set is then determined by executing a method of FIG. 6 (S54).
  • the servomotor position is determined, which corresponds to the predetermined distance setpoint (S56).
  • the pitch drive motor (s) are then driven to adjust the detected actuator position (S58) to establish the distance setpoint.
  • a lateral adjustment takes place at the predetermined distance setpoint in order to optimize the coupling.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a self-adjusting optical coupling device for automatically determining a distance value belonging to a set distance control variable between an optical source transmitting a light beam and an optical sink into which the light beam is to be coupled, comprising: providing reference beam width data which represent values of a beam width as a function of different distance values between a coupling-out plane of the source and a coupling-in plane of the sink; setting a plurality of lateral relative positions of source and sink in the case of one and the same distance control variable determining the coupling-in plane, and in each case detecting an intensity signal which is a measure of the light intensity coupled out by a coupling-out surface in the source in the coupling-out plane and coupled into the coupling-in surface of the sink; calculating a value of a variable representing the beam width of the light beam coupled out by the source in the coupling-in plane on the basis of the detected light intensities in plurality of lateral relative positions; and determining the perpendicular distance value which is assigned to the set distance control variable on the basis of the detected value of the beam width and on the basis of the reference beam width data.

Description

Optische Koppelvorrichtung und Betriebsverfahren dafür  Optical coupling device and method of operation therefor
Die Erfindung betrifft eine optische Koppelvorrichtung zum Einkoppeln eines Lichtstrahls, der aus einer eine Auskoppelebene definierenden Auskoppelfläche einer optischen Quelle auskoppelbar ist, in eine optische Senke, die eine Einkoppelfläche aufweist, welche eine Einkoppelebene definiert. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Betriebsverfahren einer optischen Koppelvorrichtung. The invention relates to an optical coupling device for coupling a light beam, which can be coupled out of a decoupling plane defining an outcoupling surface of an optical source, in an optical sink, which has a coupling surface, which defines a Einkoppelebene. The invention further relates to an operating method of an optical coupling device.
Durch eine steigende Integration optischer Komponenten, speziell im Bereich der Nanophotonik, wird der Bedarf nach Möglichkeiten eines automatisierten Koppeins beispielsweise von Wellenleitern und Fasern, aber auch von Fasern und Fasern oder Wellenleitern und Wellenleitern immer wichtiger. Increasing integration of optical components, especially in the field of nanophotonics, has made the need for automated couplings such as waveguides and fibers, as well as fibers and fibers or waveguides and waveguides increasingly important.
Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Kopplung von Wellenleitern und Fasern war der Größenunterschied zwischen Faser und Wellenleiter. Dieses Problem wurde jedoch durch die Verfügbarkeit von Gitterkopplern weitgehend beseitigt. Bekannte Verfahren erlauben nach einer Grobjustage, welche die Faser nahe genug zum Gitterkoppler bringen muss, um eine Transmission eingekoppelten Lichts zu detektieren, nur das automatische Finden einer lateralen Position optimaler Transmission in einer (hier auch als lateral oder tangential bezeichneten) x-y-Ebene, die parallel zur einer von einer Fläche des Gitterkopplers definierten Ein- bzw. Auskoppelebene liegt. Eine automatische Einstellung des (senkrechten) Abstandes zwischen Quelle und Senke ist deutlich schwieriger, weil es hier oft kein oder kein klares Maximum gibt. Um reproduzierbare Messungen zu erlauben, beispielsweise bei einem On-Wafer Testverfahren, ist es jedoch wichtig, immer den gleichen Abstand zwischen Quelle und Senke einzustellen. Dies geschieht beim Beispiel der Kopplung von Faser und Wellenleiter auf einem Chip derzeit üblicherweise manuell nach einem der zwei folgenden Verfahren: One of the major difficulties in coupling waveguides and fibers was the difference in size between fiber and waveguide. However, this problem has been largely eliminated by the availability of grating couplers. Known methods, after coarse adjustment, which must bring the fiber close enough to the grating coupler to detect transmission of coupled light, allow only the automatic finding of a lateral position of optimal transmission in an xy plane (also referred to herein as lateral or tangential) is parallel to an input or Auskoppelebene defined by a surface of the grating coupler. An automatic adjustment of the (vertical) distance between source and sink is much more difficult, because there is often no or no clear maximum here. However, in order to allow reproducible measurements, for example in an on-wafer test method, it is important to always set the same distance between source and sink. This is done in the example of the coupling of fiber and waveguide on a chip currently usually manually by one of the following two methods:
1. Die Faser wird mit einer Mikrometerschraube vorsichtig in Richtung Chip geführt bis sie ihn berührt und dann von dieser Position um die gewünschte Distanz entfernt. 2. Die Faser wird in die Nähe des Chips gebracht. Dann wird die Spitze der Faser sowie ihr Schatten oder Spiegelbild mittels eines Mikroskops betrachtet. Die Faser wird dann so justiert, dass von dem Schatten oder Spiegelbild nur noch ein schmaler Rand neben der Faserspitze sichtbar bleibt. Erzeugt man wiederholt den gleichen Rand befindet man sich auf immer der gleichen Entfernung. Beide Verfahren haben den Nachteil, dass sie einen erfahrenen Bediener erfordern und eine Genauigkeit von weniger als 10 μιτι nicht erreichen können. Das erstgenannte Verfahren hat zusätzlich den Nachteil, dass die Gefahr einer Beschädigung von Chip und Faser besteht, während das zweitgenannte Verfahren einen hohen Geräteaufwand in Form einer guten Mikroskopoptik erfordert. Fehler in der Justage der Mikroskopoptik führen zudem direkt zu Fehlern in der erzielten Abstandsjustage. 1. The fiber is carefully guided with a micrometer screw in the direction of the chip until it touches it and then removed from this position by the desired distance. 2. The fiber is brought near the chip. Then the tip of the fiber as well as its shadow or mirror image is viewed by means of a microscope. The fiber is then adjusted so that only a narrow edge next to the fiber tip remains visible from the shadow or mirror image. If you repeatedly create the same edge, you are always at the same distance. Both methods have the disadvantage that they require an experienced operator and an accuracy of less than 10 μιτι can not achieve. The former method has the additional disadvantage that the risk of damage to the chip and fiber, while the second-mentioned method requires a high expenditure on equipment in the form of a good microscope optics. Errors in the adjustment of the microscope optics also lead directly to errors in the distance adjustment achieved.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass für einen On-Wafer Test im Bereich der integrierten Optik, wie es zum Vergleich im Bereich der Elektronik üblich ist, eine vollständig automatisierte Justage der Kopplung von Quelle und Senke erforderlich ist. Die Erfindung erkennt weiterhin, dass als wesentliche Voraussetzung zu einer in diesem Zusammenhang erforderlichen selbsttätigen Abstandsjustage zwischen Quelle und Senke zunächst eine präzise selbsttätige Bestimmung des aktuellen Abstands erforderlich ist, um dann in einem weiteren Schritt einen vorgegebenen Abstandswert selbsttätig einstellen zu können. The present invention is based on the recognition that for an on-wafer test in the field of integrated optics, as is usual for comparison in the field of electronics, a fully automated adjustment of the coupling of source and drain is required. The invention further recognizes that, as an essential prerequisite for an automatic distance adjustment between source and sink required in this context, firstly a precise automatic determination of the current distance is required, in order then to be able to automatically set a predetermined distance value in a further step.
Die Erfindung stellt dazu zunächst in einem ersten Aspekt ein Betriebsverfahren einer optischen Koppelvorrichtung bereit, zum selbsttätigen Ermitteln eines zu einem eingestellten Wert einer Abstands-Stellgröße, beispielsweise einer Aktuator-Position wie beispielsweise einer Abstands-Stellmotorposition gehörigen Abstandswertes zwischen einer einen Lichtstrahl aussendenden optischen Quelle und einer optischen Senke, in die der Lichtstrahl einzukoppeln ist, umfassend: In a first aspect, the invention initially provides an operating method of an optical coupling device for automatically determining a distance value belonging to a set value of a distance manipulated variable, for example an actuator position, such as a distance servomotor position a light beam emitting optical source and an optical well into which the light beam is to be coupled, comprising:
- Bereitstellen von Referenz-Strahlweitedaten, die Werte einer Strahlweite als Funktion unterschiedlicher Abstandswerte zwischen einer Auskoppelebene der Quelle und einer Einkoppelebene der Senke repräsentieren; Providing reference beamwidth data representing values of a beamwidth as a function of different distance values between a source coupling-out plane and a sinking plane of the sink;
- Einstellen einer Vielzahl lateraler Relativpositionen von Quelle und Senke bei ein und demselben, die Einkoppelebene bestimmenden Wert der Abstands-Stellgröße, und jeweils Erfassen eines Intensitätssignals, das ein Maß für eine von einer Auskoppelfläche der Quelle in der Auskoppelebene ausgekoppelte und in die Einkoppelfläche der Senke eingekoppelte Lichtintensität ist; - Setting a plurality of lateral relative positions of the source and sink at one and the same Einkoppelebene determining value of the distance control variable, and each detecting an intensity signal, which is a measure of a decoupled from the output surface of the source coupled in the decoupling plane and in the coupling surface of the sink coupled light intensity is;
- Berechnen eines Wertes einer die Strahlweite des von der Quelle ausgekoppelten Lichtstrahls in der Einkoppelebene repräsentierenden Größe anhand der erfassten Lichtintensitäten in der Vielzahl lateraler Relativpositionen; und Calculating a value of a quantity representing the beam width of the light beam coupled out from the source in the coupling-in plane on the basis of the detected light intensities in the multiplicity of lateral relative positions; and
- Bestimmen des Abstandswertes, welcher dem eingestellten Wert der Abstands- Stellgröße zugeordnet ist, anhand des ermittelten Wertes der Strahlweite und anhand derDetermining the distance value which is assigned to the set value of the distance control variable, based on the determined value of the beam width and on the basis of
Referenz-Strahlweitedaten. Reference beam width data.
Das Betriebsverfahren des ersten Aspekts der Erfindung versetzt eine in drei Achsen automatisiert positionierbare Haltevorrichtung einer Koppelvorrichtung zum Einkoppeln eines Lichtstrahls in die Lage, den bei einer aktuellen Abstands-Stellmotorposition gegebenen tatsächlichen Wert des senkrechten Abstands in metrischen Einheiten zu ermitteln. Dazu greift es auf eine selbsttätige Messung der Strahlweite in der Einkoppelebene der Senke zurück. Als Einkoppelebene wird diejenige Ebene bezeichnet, welche die ebene Einkoppelfläche der Senke enthält. Die Einkoppelebene ist in manchen Ausführungsformen parallel oder annähernd parallel zur Auskoppelebene der Quelle, welche durch eine ebene Auskoppelfläche definiert ist. In anderen Ausführungsformen ist sie dagegen nicht parallel zur Auskoppelebene der Quelle. Die Verwendung von Auskoppelebene und der Einkoppelebene als Maß für den Abstand zwischen Quelle und Senke ist nicht im Sinne einer Beschränkung der Erfindung auf diese Ebenen zur Abstandsbestimmung gemeint. Auch andere Abstandsmaße, die einen Rückschluss auf den Abstand zwischen Quelle und Senke erlauben, können verwendet werden. The operating method of the first aspect of the invention enables a three-axis automatically positionable holding device of a coupling device for coupling a light beam to determine the actual value of the vertical distance in metric units given at a current distance servomotor position. For this purpose, it relies on an automatic measurement of the beam width in the coupling plane of the sink. As Einkoppelebene that plane is called, which contains the planar coupling surface of the sink. The coupling-in plane is in some embodiments parallel or approximately parallel to the coupling-out plane of the source, which is defined by a plane coupling-out surface. In contrast, in other embodiments, it is not parallel to the output node of the source. The use of the coupling-out plane and the coupling-in plane as a measure of the distance between source and sink is not meant to limit the invention to these levels for determining the distance. Other distance measures, which allow a conclusion on the distance between source and sink, can be used.
Das Verfahren nimmt zunächst eine Vielzahl von Messungen der eingekoppelten Lichtintensität an unterschiedlichen Positionen der Einkoppelebene vor. Hierzu wird eine automatische Positionierung mit mindestens einem der zwei lateralen Stellmotoren vorgenommen. Die gesammelten Intensitätsdaten werden genutzt, um zu bestimmen wie weit sich der Strahl bereits aufgeweitet hat, seit er die Quelle verlassen hat. Da diese Größe in direktem Zusammenhang mit der Entfernung zwischen Lichtquelle und -senke steht, kann aus der ermittelten Strahlweite der Abstandswert bestimmt werden. Hierzu wird auf Referenz-Strahlweitedaten zurückgegriffen, die zum Zeitpunkt der Bestimmung des Abstandswertes bereits bekannt sind. The method first takes a variety of measurements of the coupled Light intensity at different positions of the coupling plane before. For this purpose, an automatic positioning is performed with at least one of the two lateral servo motors. The collected intensity data is used to determine how far the beam has been expanding since it left the source. Since this quantity is directly related to the distance between the light source and the sink, the distance value can be determined from the determined beam width. For this purpose, use is made of reference beam width data which are already known at the time of determining the distance value.
Dieses Prinzip lässt sich auch unter Vertauschung von Quelle und Senke entsprechend anwenden. This principle can also be applied accordingly by swapping source and sink.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Fortbildungen des Verfahrens beschrieben. Hereinafter, embodiments and developments of the method will be described.
Die Bedeutung des geometrischen Begriffs „Abstand" ist in unterschiedlichen Ausführungsformen von Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Erfindung unterschiedlich. Zwischen dem aus der Anschauung geläufigen senkrechten Abstand und anderen Abstandsdefinitionen kann durch an sich bekannte Rechenmethoden umgerechnet werden. The meaning of the geometrical term "distance" differs in different embodiments of apparatuses and methods according to the invention, and it is possible to convert between the perpendicular distance known from the intuition and other distance definitions by calculation methods known per se.
Als Abstand ist in einer Ausführungsform der Abstand entlang einer gedachten Verlängerung einer Faserachse zu einer Chipoberfläche zu verstehen. Dies erscheint die für den typischen Anwendungsfall physikalisch sinnvollste Definition. Alternative Ausführungsformen definieren den Abstand von einem Mittelpunkt einer Faserendfläche zur Chipoberfläche in einer senkrecht zur Chipoberfläche weisenden Richtung. Die Varianten unterscheiden sich nur, wenn die Einkoppelebene nicht parallel zur Auskoppelebene ist. Der Unterschied führt zu veränderten Modellparametern, die in Weiterbildungen des Verfahrens Verwendung finden. In one embodiment, the distance is to be understood as meaning the distance along an imaginary extension of a fiber axis to a chip surface. This appears the most physically meaningful definition for the typical application. Alternative embodiments define the distance from a center of a fiber end surface to the chip surface in a direction perpendicular to the chip surface. The variants differ only if the coupling-in plane is not parallel to the coupling-out plane. The difference leads to changed model parameters, which are used in further developments of the method.
Zur Messung wird in bevorzugten Ausführungsbeispielen die Lichtquelle durch eine Laserquelle, beispielsweise eine so genannte Tunable Laser Source (TLS) versorgt. An der Lichtsenke wird bevorzugt ein Fotodetektor verwendet, um das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Fotodiode handeln, die in ein Powermeter integriert ist. Das Powermeter kann in diesem Fall die empfangene Lichtleistung direkt als digitales Signal ausgeben, beispielsweise über einen GPIB-Bus. Die beschriebene genaue Kalibrierung und Umsetzung in absolute Leistungen ist jedoch für das Verfahren irrelevant, da nur der relative Verlauf wichtig ist. For measurement, in preferred embodiments, the light source is supplied by a laser source, for example a tunable laser source (TLS). At the light sink, a photodetector is preferably used to convert the optical signal into an electrical signal. This may be, for example, a photodiode, which is integrated in a power meter. In this case, the power meter can directly output the received light output as a digital signal, for example via a GPIB bus. The described exact calibration and conversion into absolute performances however, is irrelevant to the method, since only relative history is important.
In bevorzugten Anwendungsfällen des Verfahrens ist entweder Quelle oder Senke mit einer optischen Faser identisch. Die jeweils andere Seite ist in solchen Ausführungsbeispielen insbesondere bevorzugt ein Gitterkoppler, der über einen Wellenleiter auf dem Chip zu einem weiteren Gitterkoppler und über eine Faser zu dem entsprechenden Gerät verbunden ist. Es sind jedoch auch andere Anwendungsfälle umfasst, bei denen eine Fotodiode als Senke oder ein Laser als Quelle auf einem Chip integriert ist und nur elektrisch kontaktiert wird. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Quelle selbst ein Laser oder eine LED ist, oder dass die Senke selbst ein Fotodetektor ist. In preferred applications of the method, either source or drain is identical to an optical fiber. The respective other side is in such exemplary embodiments particularly preferably a grating coupler, which is connected via a waveguide on the chip to a further grating coupler and via a fiber to the corresponding device. However, there are also other applications in which a photodiode as a sink or a laser source is integrated on a chip and is contacted only electrically. There is also the possibility that the source itself is a laser or an LED, or that the sink itself is a photodetector.
Bevorzugt gibt der verwendete Laser während der Messung immer die gleiche Leistung ab. Wenn dies nicht der Fall ist, wird das System um eine Messung der Leistungsänderung erweitert, und wird das Verhältnis aus Ausgangs- zu Eingangsleistung als Messsignal ausgewertet. Als Stellmotoren werden vorzugsweise hoch genaue Motoren, beispielsweise Schrittmotoren oder Piezo-Aktuatoren verwendet. Preferably, the laser used always delivers the same power during the measurement. If this is not the case, the system is extended by a measurement of the power change, and the ratio of output to input power is evaluated as a measurement signal. As servomotors preferably highly accurate motors, such as stepper motors or piezo actuators are used.
Die zusätzliche Ermittlung der Referenz-Strahlweitedaten ist Gegenstand von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die nachfolgend näher beschrieben werden. Ein solches Ausführungsbeispiel umfasst zusätzlich vor der Ermittlung des Abstandswertes einen Prozess zum Aufnehmen der Referenz-Strahlweitedaten in einer selbsttätigen Kalibrierungsprozedur vor Ermittlung des Abstandes. Die Kalibrierungsprozedur enthält folgende Schritte: The additional determination of the reference beam width data is the subject of embodiments of the present invention, which are described in more detail below. Such an embodiment additionally includes, prior to determining the offset value, a process for capturing the reference beamwidth data in an automatic calibration procedure prior to determining the distance. The calibration procedure contains the following steps:
— Einstellen unterschiedlicher Abstands-Stellmotorpositionen zwischen der Einkoppelebene und der Auskoppelebene und Erfassen der von der Quelle ausgekoppelten und in die Senke eingekoppelten Lichtintensität in einer Vielzahl unterschiedlicher lateraler Relativpositionen von Quelle und Senke bei jeder eingestellten Abstands-Stellmotorposition, sowie Ermitteln eines jeweiligen Wertes der die Strahlweite bei der jeweiligen Abstands-Stellmotorposition repräsentierenden Größe; Adjusting different pitch servomotor positions between the launch plane and the drop plane and detecting the light intensity coupled out from the source and coupled into the dip in a plurality of different lateral relative positions of source and sink at each set actuator position, and determining a respective value of the beam width at the respective distance actuator position representative size;
— Bestimmen einer die Strahlweite als Funktion der Stellmotor-Abstandsposition zwischen Einkoppelebene und Auskoppelebene beschreibenden Aufweitungsfunktion anhand der bei den verschiedenen Stellmotor-Abstandspositionen ermittelten Strahlweiten unter Nutzung eines vorgegebenen mathematischen Strahlmodells; und Determining a widening function describing the beam width as a function of the servo motor distance position between the coupling plane and the decoupling plane on the basis of the differences determined in the case of the various servo motor distance positions Beamwidths using a given mathematical beam model; and
Ermitteln und Zuordnen von Abstandswerten zu den Abstands- Stellmotorpositionen anhand der bestimmten Aufweitungsfunktion und des ermittelten Stellmotor-Abstandsnullpunktes. In einer Ausführungsform wird ein einem verschwindenden senkrechten Abstandswert entsprechender Stellmotor-Abstandsnullpunkt anhand der bestimmten Aufweitungsfunktion und des Strahlmodells ermittelt. Determining and assigning distance values to the distance actuator positions based on the determined expansion function and the determined actuator distance zero point. In one embodiment, a control motor zero distance corresponding to a vanishing vertical distance value is determined based on the determined expansion function and the beam model.
In alternativen Ausführungsbeispielen wird als Größe, welche die Strahlweite des von der Quelle ausgekoppelten Lichtstrahls in der Einkoppelebene repräsentiert, entweder die Halbwertsweite (in einer Dimension) oder Halbwertsfläche (in zwei Dimensionen) des Lichtstrahls oder die 1/e-Weite oder -Fläche der Lichtintensität in mindestens einer Richtung in der Einkoppelebene ermittelt, und bei dem die Einstellung der Vielzahl der lateraler Relativpositionen zur Erfassung von Lichtintensitäten bei ein und derselben Abstands-Stellmotorposition in einer lateralen Richtung mindestens bis zum Unterschreiten der Halbwerte beziehungsweise der 1/e-Werte der Lichtintensität beiderseits eines Intensitäts-Hauptmaximums durchgeführt wird. Eine Messung in nur einer Dimension vereinfacht das Verfahren. Andererseits ermöglicht eine Messung in zwei Dimensionen eine höhere Genauigkeit. In alternative embodiments, the quantity representing the beamwidth of the light beam coupled out from the source in the launching plane is either the half-value width (in one dimension) or half-value area (in two dimensions) of the light beam or the 1 / e-width or area of the light intensity in at least one direction in the Einkoppelebene, and wherein the adjustment of the plurality of lateral relative positions for detecting light intensities at the same distance actuator position in a lateral direction at least until falling below the half values and the 1 / e-values of the light intensity on both sides an intensity main maximum is performed. Measuring in just one dimension simplifies the process. On the other hand, measurement in two dimensions allows for greater accuracy.
Das Strahlmodell für das aus der Auskoppelebene ausgekoppelte Licht entspricht in bevorzugten Anwendungsfällen einem gaußförmigen Strahlprofil. Aber auch davon abweichende Profile können im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden. Eine Abweichung vom Gauß-Profil kann beispielsweise mit einem Strahlqualitätsparameter berücksichtigt werden, der mit M2 bezeichnet wird. Der Strahlqualitätsparameter M2 beschreibt die Abweichung vom Gauß-Strahl in einem einfachen Modell. Der Gaußstrahl ist das physikalische Limit der Fokussierbarkeit, bei dem das Produkt aus Öffnungswinkel und Strahltaille minimal wird. Der Strahlqualitätsparameter M2 ist für den Gaußstrahl gleich eins. Für abweichende Strahlen wird er größer als eins. Das Produkt aus Öffnungswinkel und Strahltaille ist in diesem Fall um den Faktor M2 größer. Eine um M2 erweiterte Formel des Gauß-Strahls genügt, um auch für stark vom Gauß-Strahl abweichende Strahlen - auch solche mit mehreren Maxima - eine Strahlweite in Abhängigkeit der Höhe zu definieren. Da die Strahlweite hierbei aber nicht durch den Abfall auf einen bestimmten Wert sondern durch Perzentile definiert ist, ist dazu eine Ausmessung bis in weitere Entfernungen notwendig. Bei Multimode-Strahlverteilungen oder Strahlverteilungen mit mehreren Maxima muss ein sehr großer lateraler Bereich abgescannt werden. Die Durchführbarkeit solcher zusätzlicher Messungen beschränkt die Anwendbarkeit eines Modells, das auf einem Gauß-Profil beruht. Daher wird in diesem Fall bevorzugt eine andere Weiterbildung des Verfahrens eingesetzt. Im Folgenden sind einige mögliche Fälle unterschieden: a) Zunächst wird der Fall der Kopplung betrachtet, bei dem nur die Quelle oder nur die Senke eine Strahlverteilung mit (zumindest bei einigen Abständen) mehreren Maxima haben. Hier ist es am praktikabelsten, nicht nur die Strahlweite, sondern die gesamte Strahlverteilung als Funktion der Höhe als Referenzdaten zu verwenden. Durch Vergleich der gemessenen Daten mit den Referenzdaten unterschiedlicher Höhen (z.B. mittels Kreuzkorrelation) wird dann der Abstand bestimmt. b) Es ist auch möglich, dass insbesondere für kleine Abstände mehrere getrennte Maxima auftreten (Nahfeld), diese sich in größeren Abständen (Fernfeld) jedoch zu einem Maximum überlagern. In diesem Fall genügt es, nur den Nah-Bereich mit genaueren Daten zu behandeln. c) Ein weiterer, hierzu in seiner Lösung verwandter Anwendungsfall ist eine Kopplung, bei der nur die Quelle oder nur die Senke eine Intensitätsverteilung hat, die sich aus mehreren Moden zusammensetzt. Unter Verwendung von inkohärentem Licht ergibt sich aufgrund der Inkohärenz eine zeitliche stabile Intensitätsmittelung. Es kann entsprechend des vorangegangenen Falles weiter verfahren werden. d) Eine andere Situation ergibt sich bei Verwendung von kohärentem Licht. Betrachten wir, wie im Fall zuvor, dass nur die Quelle oder nur die Senke eine Intensitätsverteilung hat, die sich aus mehreren Moden zusammensetzt. Bei Verwendung von kohärentem Licht können die relativen Phasen der Moden fluktuieren und ergeben ein sich zeitlich änderndes Bild. Hier entstehen sogenannte Speckels. Dieser Fall lässt sich jedoch durch zeitliche Mittelung, optional verbunden mit künstlicher schneller Variation der Phasen (in Multimode-Fasern beispielsweise unter Verwendung von Ultraschall erreichbar), auf den vorhergehenden Fall zurückführen. e) Wenn keine zeitliche Variation der relativen Phasen vorhanden ist, kann das Verfahren wie bei der Quelle/Senke mit mehreren Maxima in der Feldverteilung verwendet werden. f) Wenn sowohl Quelle als auch Senke mehrmodig sind oder mehrere Maxima haben, können statistische Verfahren eingesetzt werden. Alternativ wäre es möglich, mehrere Moden getrennt zu messen und über Koppelmatrizen auszuwerten. Eine getrennte Messung der Moden bedeutet allerdings einen relativ hohen technischen Aufwand. The beam model for the light coupled out of the decoupling plane corresponds in preferred applications to a Gaussian beam profile. But also deviating profiles can be used in connection with the method according to the invention. A deviation from the Gaussian profile can, for example, be taken into account with a beam quality parameter designated M 2 . The beam quality parameter M 2 describes the deviation from the Gaussian beam in a simple model. The Gaussian beam is the physical limit of focusability that minimizes the product of aperture angle and beam waist. The beam quality parameter M 2 is equal to one for the Gauss beam. For deviant rays, it becomes greater than one. The product of opening angle and beam waist is in this case larger by a factor of M 2 . An extended by M 2 formula of the Gaussian beam is sufficient to even for strongly deviating from the Gaussian beam - even those with multiple maxima - to define a beam width as a function of the height. Since the beam width is defined here not by the drop to a certain value but by percentiles, a measurement is necessary to further distances. at Multimode beam distributions or beam distributions with multiple maxima require a very large lateral area to be scanned. The feasibility of such additional measurements limits the applicability of a model based on a Gaussian profile. Therefore, in this case, another preferred embodiment of the method is used. The following are some possible cases: a) Consider first the case of coupling where only the source or sink has a beam distribution with (at least at some distances) several maxima. Here it is most practical to use not only the beam width but the entire beam distribution as a function of the height as reference data. By comparing the measured data with the reference data of different heights (eg by means of cross-correlation), the distance is then determined. b) It is also possible that, in particular for small distances, several separate maxima occur (near field), but these overlap at greater distances (far field) to a maximum. In this case, all you have to do is treat the near area with more accurate data. c) Another case of application related to this in its solution is a coupling in which only the source or only the well has an intensity distribution which is composed of several modes. Using incoherent light results in a temporally stable intensity average due to the incoherence. It can be proceeded according to the previous case. d) Another situation arises when using coherent light. Consider, as in the previous case, that only the source or just the sink has an intensity distribution made up of several modes. When using coherent light, the relative phases of the modes may fluctuate, resulting in a time-varying image. Here arise so-called speckels. However, this case can be attributed to the previous case by temporal averaging, optionally associated with artificial rapid variation of the phases (achievable in multimode fibers, for example using ultrasound). e) If there is no temporal variation of the relative phases, the method can be used as in the source / sink with multiple maxima in the field distribution. f) If both source and sink are multi-mode or have multiple maxima, statistical methods can be used. Alternatively, it would be possible to measure several modes separately and to evaluate them via coupling matrices. However, a separate measurement of the modes means a relatively high technical effort.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Steuerverfahren einer mit Stellmotoren in drei Dimensionen einstellbaren, selbstjustierenden optischen Koppelvorrichtung zur selbsttätigen Einstellung eines vorgegebenen senkrechten Abstandwertes zwischen einer optischen Quelle und einer optischen Senke, umfassend: - Ansteuern mindestens eines der Stellmotoren zum Einstellen einer vorbestimmten Start- Stellmotorposition, die die Einkopplung einer erfassbaren Lichtintensität des aus der Quelle ausgekoppelten Lichtstrahls in eine Einkoppelfläche der Senke ohne Risiko eines unmittelbaren mechanischen Kontaktes zwischen Quelle und Senke ermöglicht; - Durchführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder eines seiner Ausführungsbeispiele zur Ermittlung eines der Start-Stellmotorposition zugeordneten Abstandswertes; A second aspect of the present invention is a control method of a self-aligning optical coupling device adjustable with three-dimensional servomotors for automatically setting a predetermined vertical distance between an optical source and an optical sink, comprising: driving at least one of the servomotors to set a predetermined starting distance; Servomotor position, which allows the coupling of a detectable light intensity of the coupled out of the source light beam in a coupling surface of the sink without risk of direct mechanical contact between the source and sink; Performing a method according to the first aspect of the invention or one of its embodiments for determining a distance value associated with the start actuator position;
- Ermitteln einer dem vorgegebenen Abstandwert zugeordneten Abstands- Stellgröße, insbesondere Abstands- Stellmotorposition, anhand der Referenz- Strahlweitedaten; und - Determining a the predetermined distance associated distance control value, in particular distance actuator position, based on the reference beam width data; and
- Ansteuern mindestens eines der Stellmotoren zum Einstellen der ermittelten Abstands-Stellgröße, insbesondere Abstands- Stellmotorposition. - Controlling at least one of the servomotors for setting the determined distance control variable, in particular distance actuator position.
Mit dem Verfahren kann vollständig automatisiert eine Abstandsjustage zwischen einer optischen Quelle und einer optischen Senke vorgenommen werden. Im Anwendungsfall der Kopplung von Gitterkoppler zu Standard-Einmodenfaser wurde an Prototypen einer weiter unten näher beschriebenen selbstjustierenden optischen Koppelvorrichtung bereits eine Genauigkeit der Abstandseinstellung von 0,5 μιτι in einem Bereich von 30 μιτι bis 110 μιτι Abstand zwischen der optischen Faser und dem Gitterkoppler erzielt. Eine Kopplung zwischen dem Gitterkoppler und der Faser mit einem Höhenfehler von 0,5 μιτι führt bei einem Abstand von 100 μιτι zu einer Abweichung der transmittierten Leistung von maximal 0,03 dB, was einer Änderung von 0.6 % der Leistung entspricht. Soll nur immer die gleiche Distanz eingestellt werden, liegt die Genauigkeit noch höher, also bei Abweichungen von weniger als 0,5 μιτι. With the method, a fully automated distance adjustment between an optical source and an optical sink can be made. In the application of the coupling of grating coupler to standard single-mode fiber accuracy of the distance setting of 0.5 μιτι in a range of 30 μιτι to 110 μιτι distance between the optical fiber and the grating coupler has already been achieved on prototypes of a self-adjusting optical coupling device described in more detail below. A coupling between the grating coupler and the fiber with a height error of 0.5 μιτι leads at a distance of 100 μιτι to a deviation of the transmitted power of a maximum of 0.03 dB, which corresponds to a change of 0.6% of the power. Should only always be set the same distance, the accuracy is even higher, so with deviations of less than 0.5 μιτι.
Einen dritten Aspekt der Erfindung bildet eine optische Koppelvorrichtung zum Einkoppeln eines Lichtstrahls, der aus einer eine Auskoppelebene definierenden Auskoppelfläche einer optischen Quelle auskoppelbar ist, in eine optische Senke, die eine Einkoppelfläche aufweist, welche eine Einkoppelebene definiert, umfassend A third aspect of the invention is an optical coupling device for coupling a light beam, which can be coupled out of a decoupling surface defining an outcoupling surface of an optical source, in an optical well having a coupling surface, which defines a Einkoppelebene comprising
- eine Haltevorrichtung mit steuerbaren Stellmotoren, die ausgebildet ist, Relativpositionen der Quelle und der Senke zueinander in drei Dimensionen einzustellen, a holding device with controllable servomotors, which is designed to set relative positions of the source and the sink to one another in three dimensions,
- eine Sensoreinheit, die angeordnet und ausgebildet ist, ein Intensitätssignal zu erzeugen und auszugeben, das ein Maß für eine von der Quelle ausgekoppelte und in die Einkoppelfläche der Senke eingekoppelte Lichtintensität ist; a sensor unit which is arranged and designed to generate and output an intensity signal which is a measure of a light intensity coupled out from the source and coupled into the coupling surface of the sink;
- eine Steuervorrichtung, die ausgebildet ist, zur Ermittlung eines senkrechten Abstandswertes zwischen der Auskoppelebene und der durch die eingestellte Stellmotor- Abstandsposition bestimmten Einkoppelebene die Haltevorrichtung anzusteuern, eine Vielzahl unterschiedlicher lateraler Stellmotorpositionen der Einkoppelfläche in der Einkoppelebene einzustellen sowie die Sensoreinheit anzusteuern, in den eingestellten lateralen Stellmotorpositionen jeweils die der von der Quelle ausgekoppelte und in die Senke eingekoppelte Lichtintensität zu erfassen, - A control device which is designed to control the determination of a vertical distance value between the Auskoppelebene and determined by the set Stellmotor- distance position Einkoppelebene the holding device to set a plurality of different lateral Stellmotorpositionen the coupling surface in the Einkoppelebene and to control the sensor unit, in the set lateral Servomotor positions each to capture the coupled from the source and coupled into the sink light intensity,
- eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, für jede eingestellte Stellmotor- Abstandsposition anhand der in den unterschiedlichen lateralen Stellmotorpositionen erfassten Lichtintensitäten einen Wert einer eine Strahlweite des von der Quelle ausgekoppelten Strahls in der Einkoppelebene repräsentierenden Größe zu berechnen und anhand von vorbestimmten Referenz-Strahlweitedaten, die Werte der Strahlweite als Funktion von Abstandswerten zwischen der Auskoppelebene und der Einkoppelebene angeben, den gegebenen senkrechten Abstandswert zu ermitteln. an evaluation unit which is designed to calculate a value of a quantity representing a beam width of the beam coupled out from the source in the coupling-in plane for each set actuator distance position on the basis of the light intensities detected in the different lateral actuator positions and on the basis of predetermined reference beam width data Specify values of the beam width as a function of distance values between the coupling-out plane and the coupling-in plane to determine the given vertical distance value.
Bei der Koppelvorrichtung des dritten Aspekts der Erfindung gelingt es durch die spezielle Ausbildung der Steuervorrichtung, die in drei Achsen automatisiert positionierbare Haltevorrichtung so anzusteuern, dass mit Hilfe der Auswerteeinheit ein bei einer aktuellen Abstands-Stellmotorposition gegebener tatsächlicher Wert des senkrechten Abstands in metrischen Einheiten ermitteln werden kann. Dazu ermöglicht die Vorrichtung eine selbsttätige Messung der Strahlweite in der Einkoppelebene der Senke. Auf diese Weise ist die Grundlage für eine präzise selbsttätige Positionierung in drei Dimensionen geschaffen. In the coupling device of the third aspect of the invention, the special design of the control device makes it possible to control the holding device that can be positioned automatically in three axes in such a way that with the aid of the evaluation unit an actual value of the vertical distance in metric units given at a current distance servomotor position is determined can. For this purpose, the device allows an automatic measurement of the beam width in the coupling plane of the sink. To this Way, the foundation is created for a precise self-positioning in three dimensions.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Koppelvorrichtung ist die Steuervorrichtung zusätzlich ausgebildet, die Haltevorrichtung, die Sensoreinheit und die Auswerteeinheit zum Durchführen einer selbsttätigen Kalibrierungsprozedur anzusteuern, umfassend In a preferred embodiment of the coupling device, the control device is additionally designed to control the holding device, the sensor unit and the evaluation unit for carrying out an automatic calibration procedure
— Einstellen unterschiedlicher Abstands-Stellmotorpositionen zwischen der Einkoppelebene und der Auskoppelebene und Erfassen der von der Quelle ausgekoppelten und in die Senke eingekoppelten Lichtintensität in einer Vielzahl unterschiedlicher lateraler Relativpositionen von Quelle und Senke bei jeder eingestellten Abstands-Stellmotorposition, sowie Ermitteln eines jeweiligen Wertes der die Strahlweite bei der jeweiligen Abstands-Stellmotorposition repräsentierenden Größe; Adjusting different pitch servomotor positions between the launch plane and the drop plane and detecting the light intensity coupled out from the source and coupled into the dip in a plurality of different lateral relative positions of source and sink at each set actuator position, and determining a respective value of the beam width at the respective distance actuator position representative size;
— Bestimmen einer die Strahlweite als Funktion der Stellmotor-Abstandsposition zwischen Einkoppelebene und Auskoppelebene beschreibenden Aufweitungsfunktion anhand der bei den verschiedenen Stellmotor-Abstandspositionen ermittelten Strahlweiten anhand eines vorgegebenen mathematischen Strahlmodells; und Determining an expansion function describing the beam width as a function of the servo-motor distance position between the coupling-in plane and the coupling-out plane on the basis of the beam widths determined at the various servo-motor distance positions on the basis of a predetermined mathematical beam model; and
Ermitteln und Zuordnen von Abstandswerten zu den Abstands- Stellmotorpositionen anhand der bestimmten Aufweitungsfunktion und des ermittelten Stellmotor-Abstandsnullpunktes. Determining and assigning distance values to the distance actuator positions based on the determined expansion function and the determined actuator distance zero point.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Koppelvorrichtung ist die Steuervorrichtung ausgebildet, zur selbstjustierenden Einstellung eines vorgegebenen senkrechten Abstandwertes zwischen der optischen Quelle und der optischen Senke In a preferred embodiment of the coupling device, the control device is designed for the self-adjusting setting of a predetermined vertical distance value between the optical source and the optical sink
- mindestens einen der Stellmotoren anzusteuern, einer vorbestimmten Start- Stellmotorposition einzustellen, die die Einkopplung einer erfassbaren Lichtintensität des aus der Quelle ausgekoppelten Lichtstrahls in eine Einkoppelfläche der Senke ohne Risiko eines unmittelbaren mechanischen Kontaktes zwischen Quelle und Senke ermöglicht; - to control at least one of the servomotors to set a predetermined start-Stellmotorposition that allows the coupling of a detectable light intensity of the coupled out of the source light beam in a coupling surface of the sink without risk of direct mechanical contact between the source and sink;
- einen der Start-Stellmotorposition zugeordneten Abstandswert zu ermitteln; to determine a distance value assigned to the starting servomotor position;
- eine dem vorgegebenen Abstandwert zugeordnete Abstands-Stellmotorposition anhand der Referenz-Strahlweitedaten zu ermitteln; und - mindestens einen der Stellmotoren zum Einstellen der ermittelten Abstands- Stellmotorposition anzusteuern. to determine a distance actuator position assigned to the predetermined distance value on the basis of the reference beam width data; and - To control at least one of the servomotors for setting the determined distance actuator position.
Mit dieser Weiterbildung gelingt eine selbsttätige hochpräzise reproduzierbare Abstandsjustage zwischen Quelle und Senke, wie sie in On-Wafer Messverfahren für integrierte elektrooptische Bauelemente vorteilhaft zum Einsatz kommen kann. With this development, an automatic high-precision reproducible distance adjustment between source and sink, as can be advantageously used in on-wafer measuring methods for integrated electro-optical components, succeeds.
Bevorzugt ist die Steuervorrichtung zusätzlich ausgebildet, mindestens einen der Stellmotoren anzusteuern, eine vorgegebene laterale Relativposition einzustellen. Hierzu können an sich bekannte Verfahren verwendet werden, mit denen eine laterale Position maximaler Einkopplungseffizienz ermittelt und eingestellt wird. Preferably, the control device is additionally designed to control at least one of the servomotors to set a predetermined lateral relative position. For this purpose, known methods can be used with which a lateral position of maximum coupling efficiency is determined and set.
Ein bevorzugter Anwendungsfall der Koppel-Vorrichtung ist eine optoelektronische Vorrichtung mit einer Lichtquelle, einer Koppler-Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung oder einer ihrer beschriebenen Ausführungsformen, einer Zuleitung für von der Lichtquelle ausgesandte elektromagnetische Wellen zur Koppler-Vorrichtung, und einer Ableitung für von der Koppler-Vorrichtung ausgegebene elektromagnetische Wellen. A preferred application of the coupling device is an optoelectronic device with a light source, a coupler device according to the third aspect of the invention or one of its described embodiments, a supply line for emitted from the light source electromagnetic waves to the coupler device, and a derivative of electromagnetic waves output from the coupler device.
Ein weiterer Anwendungsfall der Erfindung ist eine optische Anordnung mit einer integriert-optischen Koppler-Vorrichtung gemäß der Erfindung oder einer ihrer beschriebenen Ausführungsformen oder einer im letzten Absatz beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung, und mit einer dem Koppelgitter zur Ein-oder Auskopplung der elektromagnetischen Wellen geeignet zugewandten optischen Mehrmodenfaser. Another application of the invention is an optical arrangement with an integrated-optical coupler device according to the invention or one of its described embodiments or an optoelectronic device described in the last paragraph, and with the coupling grid for coupling or decoupling the electromagnetic waves suitably facing optical multimode fiber.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen: Hereinafter, further embodiments will be explained with reference to the figures. Show it:
Fig. 1 eine gemessene Intensitätsverteilung eingekoppelten Lichts als Funktion der lateralen Position in der xy-Ebene am Beispiel eines annähernd Gaußschen Strahls bei einem Abstand von ca. 20 μιτι zwischen einem Gitterkoppler als Quelle und einer Einmodenfaser als Senke; FIG. 1 shows a measured intensity distribution of coupled-in light as a function of the lateral position in the xy plane using the example of an approximately Gaussian beam at a distance of approximately 20 μιτι between a grating coupler as a source and a single-mode fiber as a sink;
Fig. 2 eine gemessene Intensitätsverteilung eingekoppelten Lichts als Funktion der lateralen Position in der xy-Ebene am Beispiel eines annähernd Gaußschen Strahls bei einem Abstand von ca. 100 μιτι zwischen einem Gitterkoppler als Quelle und einer Einmodenfaser als Senke; Fig. 3a, b schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen einer optischen Koppelvorrichtung; FIG. 2 shows a measured intensity distribution of coupled-in light as a function of the lateral position in the xy plane using the example of an approximately Gaussian beam at a distance of approximately 100 μm between a grating coupler as source and a single-mode fiber as sink; 3a, b schematic representations of embodiments of an optical coupling device;
Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer optischen Koppelvorrichtung; 4 is a block diagram of an embodiment of an optical coupling device;
Fig. 5a-c Diagramme mit Beispielen von Referenz-Strahlweitedaten; Figures 5a-c are diagrams showing examples of reference beam width data;
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens einer optischen Koppelvorrichtung zur Ermittlung eines aktuellen Abstandswertes zwischen einer Quelle und einer Senke; 6 shows an exemplary embodiment of an operating method of an optical coupling device for determining a current distance value between a source and a sink;
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens einer optischen Koppelvorrichtung zur Ermittlung von Referenz-Strahlweitedaten; und 7 shows an exemplary embodiment of an operating method of an optical coupling device for determining reference beam width data; and
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens einer selbstjustierenden optischen Koppelvorrichtung. 8 shows an embodiment of an operating method of a self-aligning optical coupling device.
Fig. 1 zeigt eine gemessene Intensitätsverteilung eingekoppelten Lichts als Funktion der lateralen Position in der xy-Ebene am Beispiel eines annähernd Gaußschen Strahls bei einem Abstand von ca. 20 μιτι zwischen einem Gitterkoppler als Quelle und einer Einmodenfaser als Senke. Zum Vergleich zeigt Fig. 2 eine entsprechende Darstellung des Gaußschen Strahls der Fig. 1 bei einem Abstand von ca. 100 μιτι zwischen dem Gitterkoppler und der Einmodenfaser. Der Vergleich der beiden gemessenen Intensitätsverteilungen zeigt deutlich eine Aufweitung eines anfänglich relativ schmalen, sich über einen Bereich von etwa 10 μιτι erstreckenden Maximums der Intensitätsverteilung bei geringem Abstand zu einem breitem Maximum, das den gesamten erfassten Skalenbereich von 20 μιτι in x- und y-Richtung überdeckt. 1 shows a measured intensity distribution of coupled-in light as a function of the lateral position in the xy plane using the example of an approximately Gaussian beam at a distance of approximately 20 μιτι between a grating coupler as a source and a single-mode fiber as a sink. For comparison, Fig. 2 shows a corresponding representation of the Gaussian beam of Fig. 1 at a distance of about 100 μιτι between the grating coupler and the single-mode fiber. The comparison of the two measured intensity distributions clearly shows a widening of an initially narrow, over a range of about 10 μιτι extending maximum of the intensity distribution at a small distance to a broad maximum, the entire detected scale range of 20 μιτι in the x and y direction covered.
Die gesetzmäßige Aufweitung des Strahls mit zunehmendem Abstand zwischen dem Gitterkoppler (als Beispiel einer Quelle) und der Einmodenfaser (als Beispiel einer Senke) bildet die Grundlage für anhand der nachfolgenden Figuren beschriebene Ausführungsbeispiele von Verfahren und Vorrichtungen. The lawful expansion of the beam with increasing distance between the grating coupler (as an example of a source) and the single-mode fiber (as an example of a sink) forms the basis for embodiments of methods and apparatus described with reference to the following figures.
Die Fig. 3a und 3b zeigen schematische Darstellungen zur Erläuterung von Begrifflichkeiten, die in der weiteren Beschreibung von Ausführungsbeispielen der optischen Koppelvorrichtung verwendet werden. Die Darstellung in den Fig. 3a und 3b ist stark vereinfacht und konzentriert sich auf schematische Darstellungen wesentlicher geometrischer Verhältnisse. Fig. 3a zeigt eine Koppelvorrichtung zum Einkoppeln eines Lichtstrahls, der aus einer eine Auskoppelebene 16 definierende Auskoppelfläche eines Gitterkopplers 14 auskoppelbar ist. Der Gitterkoppler bildet hier also ein Beispiel einer optischen Quelle. Als optische Senke ist exemplarisch eine Faser 10 dargestellt, die vorliegend in einem Längsschnitt dargestellt ist. Die Faser 10 hat an ihrem unteren Ende eine Einkoppelfläche 11 , die eine Einkoppelebene 12 definiert. Im vorliegenden Beispiel sind die Auskoppelebene 16 und die Einkoppelebene 12 parallel zueinander und haben einen Abstand h zueinander, der dem senkrechten Abstand der Einkoppelebene 12 von der Auskoppelebene 16 entspricht. Figures 3a and 3b are schematic illustrations for explaining terms used in the further description of embodiments of the optical coupling device. The illustration in FIGS. 3a and 3b is greatly simplified and focuses on schematic representations of essential geometric relationships. 3a shows a coupling device for coupling in a light beam, which can be coupled out of a decoupling surface of a grating coupler 14 defining a decoupling plane 16. The grating coupler thus forms an example of an optical source. As an optical sink, a fiber 10 is exemplified, which is shown here in a longitudinal section. The fiber 10 has at its lower end a coupling surface 11 which defines a Einkoppelebene 12. In the present example, the decoupling plane 16 and the Einkoppelebene 12 are parallel to each other and have a distance h to each other, which corresponds to the vertical distance between the Einkoppelebene 12 of the Auskoppelebene 16.
Fig. 3b zeigt ein leicht abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Koppelvorrichtung, die sich von der in Fig. 3b dargestellten Koppelvorrichtung darin unterscheidet, dass die Einkoppelebene 12 aufgrund einer Neigung der Faser 10 relativ zur Auskoppelebene 16 geneigt ist. Der Abstand zwischen der Auskoppelfläche 16 und der Einkoppelfläche 11 ist im vorliegenden Beispiel entlang einer gedachten Verlängerung einer Faserachse A zwischen der Einkoppelebene 11 und der Auskoppelebene 16, also der Chipoberfläche 15 gemessen und mit h' gekennzeichnet. 3b shows a slightly modified embodiment of a coupling device, which differs from the coupling device shown in FIG. 3b in that the coupling-in plane 12 is inclined relative to the coupling-out plane 16 due to an inclination of the fiber 10. The distance between the decoupling surface 16 and the coupling surface 11 is measured in the present example along an imaginary extension of a fiber axis A between the coupling plane 11 and the decoupling plane 16, ie the chip surface 15 and marked with h '.
Die Bedeutung des geometrischen Begriffs „Abstand" kann also in unterschiedlichen Ausführungsformen von Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Erfindung unterschiedlich sein. Solche Varianten der geometrischen Bedeutung der Begriffe, wie sie in Fig. 3a und 3b illustriert sind, sind jedoch technisch gleichwertig zu behandeln und erfordern lediglich geringfügige Anpassungen in der konkreten Berechnung. Die in Fig. 3b dargestellte Situation findet in der Praxis häufigere Anwendung. Die nachfolgende Darstellung konzentriert sich jedoch auf den in der Praxis selteneren Fall der Fig. 3a, weil auf diese Weise auf die Erläuterung von aufwendigen, aber dem Fachmann völlig geläufigen Umrechnungen zwischen unterschiedlichen Koordinatensystemen und die entsprechend zu verändernde Ansteuerung der Aktuatoren bei der Justierung verzichtet werden kann. The meaning of the geometrical term "distance" may thus be different in different embodiments of devices and methods according to the invention, but such variants of the geometric meaning of the terms as illustrated in Figures 3a and 3b are technically equivalent and require 3b, the situation shown in Fig. 3b is more frequently used in practice, but the following presentation concentrates on the case of Fig. 3a, which is less common in practice, because in this way the explanation of expensive, but conversions between different coordinate systems which are completely familiar to the person skilled in the art and the corresponding actuation of the actuators to be changed during the adjustment can be dispensed with.
Aus dem Gitterkoppler 14 wird im Betrieb der dargestellten Vorrichtung ein Lichtstrahl S ausgekoppelt und muss in die Faser 10 eingekoppelt werden. Hierzu sind entweder die Faser, oder der Chip 15, auf dem der Gitterkoppler 14 angeordnet ist, oder sowohl die Faser als auch der Chip in den drei Raumrichtungen x, y und z zu justieren, um eine gewünscht optimale Einkopplung des Strahls in die Faser zu erzielen. Die laterale Justierung als solche ist dem Fachmann bekannt und soll hier nicht näher behandelt werden. Die Justierung des Abstands dagegen basiert auf dem nachfolgend anhand weiterer Ausführungsbeispiele in den Fig. 4 bis 8 dargestellten Vorrichtungen und Verfahrensführungen. From the grating coupler 14, a light beam S is coupled out during operation of the illustrated device and must be coupled into the fiber 10. For this purpose, either the fiber, or the chip 15, on which the grating coupler 14 is arranged, or to adjust both the fiber and the chip in the three spatial directions x, y and z, to a desired optimal coupling of the beam in the fiber achieve. The lateral adjustment as such is known to the person skilled in the art and will not be discussed further here become. On the other hand, the adjustment of the distance is based on the devices and process guides shown below with reference to further exemplary embodiments in FIGS. 4 to 8.
Fig. 4 zeigt anhand eines Blockdiagramms eines Ausführungsbeispiels einer optischen Koppelvorrichtung Funktionseinheiten, die in Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Koppelvorrichtung zum Einsatz kommen. Auf die konkrete Darstellung mechanischer Bauteile kann verzichtet werden, da es vorliegend auf die funktionale Steuerung der justierbaren Komponenten im Rahmen automatisierter Verfahrensführungen ankommt. Neben der aus Fig. 3a und 3b schon bekannten Lichtquelle, die je nach gewünschtem Anwendungsfall entweder die Faser 10 oder der Gitterkoppler 14 sein kann (daher die Bezugszeichen 10/14 bzw. 14/10 für Quelle und Senke in Fig. 4), sind die folgenden weiteren Teile der optischen Koppelvorrichtung dargestellt: eine Haltevorrichtung 18 mit drei Aktuatoren in Form von steuerbaren Stellmotoren 18.1 , 18.2 und 18.3, welche im vorliegenden Beispiel zur Einstellung von Relativpositionen der Faser 10 und des Gitterkopplers 14 die Faserposition verändern können. In einer durch gepunktete Linien dargestellten Variante wird statt der Position der Quelle die Position der Lichtsenke, die ebenfalls Gitterkoppler 14 oder Faser 10 sein kann verstellt. Der Gitterkoppler 14 wird immer zusammen mit dem ihn tragenden Chip 15 verstellt. In einer weiteren (nicht dargestellten) Variante sind Schrittmotoren für beide optischen Elemente, also Faser 10 und Gitterkoppler 14 vorgesehen. Weiterhin ist ein Justierlaser 20 sowie ein Fotodetektor 22, beispielsweise in Form eines optischen Leistungsmessers (power meter) oder in Form einer Fotodiode vorhanden. Der Weg des Lichts bei der Justage der Vorrichtung im vorliegenden Beispiel ist durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet. Weiterhin ist eine Steuereinheit 24 vorgesehen, entweder in Form eines integrierten Schaltkreise (z.B. ASIC) oder in Form eines softwaretechnisch entsprechend eingerichteten Computers. Die Steuereinheit 24 ist zum einen mit einem Referenzdatenspeicher 26 und zum anderen mit einer Auswerteeinheit 28 verbunden. 4 shows, on the basis of a block diagram of an embodiment of an optical coupling device, functional units which are used in exemplary embodiments of the coupling device according to the invention. On the concrete representation of mechanical components can be omitted, since it depends on the functional control of the adjustable components in the context of automated process management. In addition to the already known from Fig. 3a and 3b light source, which may be either the fiber 10 or the grating coupler 14 depending on the desired application (therefore the reference numerals 10/14 and 14/10 for source and sink in Fig. 4), are the following further parts of the optical coupling device shown: a holding device 18 with three actuators in the form of controllable servo motors 18.1, 18.2 and 18.3, which can change the fiber position in the present example to set relative positions of the fiber 10 and the grating coupler 14. In a variant shown by dotted lines instead of the position of the source, the position of the light sink, which may also be grating coupler 14 or fiber 10 may be adjusted. The grating coupler 14 is always adjusted together with the chip 15 carrying it. In another variant (not shown), stepping motors are provided for both optical elements, ie fiber 10 and grating coupler 14. Furthermore, a Justierlaser 20 and a photodetector 22, for example in the form of an optical power meter (power meter) or in the form of a photodiode available. The path of the light in the adjustment of the device in the present example is indicated by a dashed line. Furthermore, a control unit 24 is provided, either in the form of an integrated circuit (e.g., ASIC) or in the form of a software engine appropriately configured computer. The control unit 24 is connected to a reference data memory 26 on the one hand and to an evaluation unit 28 on the other hand.
Im Betrieb der optischen Koppelvorrichtung der Fig. 4 stellt die Haltevorrichtung 18 nach Maßgabe der Steuereinheit 24 mithilfe der drei Stellmotoren 18.1 bis 18.3 in drei Dimensionen eine durch die Steuereinheit vorgegebene Relativposition der Quelle und der Senke zueinander ein. Der ebenfalls von der Steuereinheit 24 angesteuerte Justierlaser 20 erzeugt zur Ausmessung der Kopplungseffizienz einen Lichtstrahl, der durch die Lichtquelle und die Lichtsenke in ihrer aktuellen Relativposition zueinander geleitet wird. Je nach Justierung der Haltevorrichtung wird dabei mehr oder weniger Licht von der Lichtquelle in die Lichtsenke eingekoppelt. Die eingekoppelte Lichtmenge wird mithilfe der Sensoreinheit 22 in Form der Fotodiode erfasst. Das von ihr erzeugte elektrische Intensitätssignal wird zum einen an die Steuervorrichtung 24 und zum anderen an die Auswerteeinheit 28 weitergeleitet. In operation of the optical coupling device of Fig. 4, the holding device 18 in accordance with the control unit 24 by means of the three servomotors 18.1 to 18.3 in three dimensions by the control unit predetermined relative position of the source and the sink to each other. The likewise controlled by the control unit 24 Justierlaser 20 generates to measure the coupling efficiency of a light beam, the is passed through the light source and the light sink in their current relative position to each other. Depending on the adjustment of the holding device, more or less light from the light source is coupled into the light sink. The coupled amount of light is detected by means of the sensor unit 22 in the form of the photodiode. The electrical intensity signal generated by it is forwarded on the one hand to the control device 24 and on the other hand to the evaluation unit 28.
Die Steuervorrichtung ist insbesondere ausgebildet, die Koppelvorrichtung zur Kalibrierung und nach Kalibrierung zur Ermittlung eines Abstandswertes h bzw. h' zwischen der Auskoppelebene, also beispielsweise der Ebene 16 und der Einkoppelebene, also beispielsweise der Ebene 12 anzusteuern, wie weiter unten anhand der dort beschriebenen Verfahren näher erläutert wird. The control device is designed, in particular, to control the coupling device for calibration and after calibration for determining a distance value h or h 'between the coupling-out plane, that is, for example, the plane 16 and the coupling-in plane, ie, plane 12, for example, as described below with reference to the methods described there is explained in more detail.
Die dabei durchzuführenden Messungen beruhen auf der Ermittlung der Strahlweite in bei einem gegebenen Abstand. Zur Ermittlung der Strahlweite steuert die Steuereinheit 24 die Haltevorrichtung 18 an, bei einem gegebenen Abstand eine Vielzahl unterschiedlicher Stellmotorpositionen einzustellen. Um die Ebene bei unterschiedlichen lateralen Positionen halten zu können, ist es also wichtig, den Winkel zwischen Einkoppelebene und Auskoppelebene zu kennen. Dieser ist vorab einzugeben oder anderweitig zu ermitteln. Die Messungen zur Bestimmung der Strahlweite können als eindimensionaler Scan oder als zweidimensionaler Scan durchgeführt werden. Ein zweidimensionaler Scan ist genauer. Die Genauigkeit der Messung der Strahlweite kann weiterhin durch die Anzahl der Messpunkte bei gegebenem Abstand bestimmt werden. The measurements to be made are based on the determination of the beam width in at a given distance. To determine the beam width, the control unit 24 controls the holding device 18 to set a multiplicity of different servomotor positions for a given distance. In order to be able to hold the plane at different lateral positions, it is therefore important to know the angle between the coupling plane and the coupling-out plane. This must be entered in advance or otherwise determined. The measurements for determining the beam width can be carried out as a one-dimensional scan or as a two-dimensional scan. A two-dimensional scan is more accurate. The accuracy of the measurement of the beam width can be further determined by the number of measuring points at a given distance.
Die Sensoreinheit 22 misst in den jeweils eingestellten Stellmotorpositionen bei vorgegebenem Abstand jeweils die vom Gitterkoppler 14 ausgekoppelte und in die Faser 10 eingekoppelte Lichtintensität. Die Auswerteeinheit berechnet für den eingestellten Abstand anhand der in den unterschiedlichen lateralen Stellmotorpositionen bei diesem Abstand erfassten Lichtintensitäten einen Wert, der eine Strahlweite repräsentiert, die der von dem Gitterkoppler 14 ausgekoppelten Strahl in der Einkoppelebene 11 hat. Mithilfe von Referenz-Strahlweitedaten, die im Referenzdatenspeicher 26 abgelegt sind, und die Werte der Strahlweite als Funktion von Abstandswerten zwischen Auskoppelebene und Einkoppelebene angeben, wird der gegebene Abstandswert von der Auswerteeinheit 28 ermittelt. The sensor unit 22 measures in each set actuator positions at a given distance in each case the decoupled from the grating coupler 14 and coupled into the fiber 10 light intensity. The evaluation unit calculates a value for the set distance on the basis of the light intensities detected in the different lateral actuator positions at this distance, which value represents a beam width which the beam coupled out by the grating coupler 14 has in the coupling-in plane 11. Using reference beam width data stored in the reference data memory 26 and indicating the values of the beam width as a function of distance values between the coupling-out plane and the coupling-in plane, the given distance value is determined by the evaluation unit 28.
Fig. 5a ist ein Beispieldiagramm, das Messwerte einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Strahlweite als Funktion des Abstands zwischen Koppelgitter und Faser darstellt. Die Strahlweite ist hier als Fleckradius w wiedergegeben, der der halben Strahlweite 2w entspricht. Messpunkte sind in Form von Kreuzen wiedergegeben. Das mithilfe einer mathematischen Formel berechnete Strahlprofil eines Gauß-Strahls ist als durchgezogene Linie dargestellt. Die Darstellung belegt die Zuverlässigkeit der Abstandsbestimmung anhand der Strahlweite. Sobald die Strahlweite als Funktion des Abstands zwischen Gitterkoppler und Faser messtechnisch an mehreren Abstandspunkten ermittelt wurde, kann mithilfe von Extrapolation und der Interpolation der genaue Abstandswert ermittelt werden. Die Extrapolation hilft, den messtechnisch nicht erfassbaren Fleckradius w0 bei verschwindendem Abstand zwischen dem Gitterkoppler 14 und der Faser 10 zu ermitteln. Mithilfe der Interpolation ist es möglich, für jeden im weiteren Verlauf experimentell ermittelten Wert der Strahlweite einen präzisen Wert des Abstands zwischen Gitterkoppler und Faser zu ermitteln. 5 a is an example diagram which shows measured values of a beam width determined by the method according to the invention as a function of the distance between coupling grating and Represents fiber. The beam width is reproduced here as a spot radius w, which corresponds to half the beam width 2w. Measuring points are reproduced in the form of crosses. The beam profile of a Gaussian beam calculated using a mathematical formula is shown as a solid line. The representation shows the reliability of the distance determination based on the beam width. Once the beamwidth as a function of the distance between the grating coupler and the fiber has been determined metrologically at several distance points, the exact distance value can be determined by means of extrapolation and interpolation. The extrapolation helps to determine the non-metrologically detectable spot radius w 0 with vanishing distance between the grating coupler 14 and the fiber 10. With the help of interpolation, it is possible to determine a precise value of the distance between grating coupler and fiber for each value of the beamwidth experimentally determined in the further course.
Die Strahlweite in Form des Fleckradius wird dabei mithilfe folgender Formel für Gaußstrahlen berechnet: The beam width in the form of the spot radius is calculated using the following formula for Gaussian beams:
Figure imgf000018_0001
wobei w den Strahlradius angibt, w0 den Strahlradius bei verschwindendem Abstand h=0 (Strahltaille), (h-h0ff) den Abstand zwischen Quelle und Senke, λ die Wellenlänge und n den Brechungsindex angibt. Der Korrekturfaktor h0ff gleicht hierbei einen Offset zwischen den Positionen der Steller h und dem tatsächlichen Abstand zwischen Quelle und Senke aus. hoff kann bei fokusierenden und defokusierenden elementen als Quelle oder Senke auch den dadurch entstehenden Offset ausgleichen. In diesem Fall ist jedoch (h-h0ff) nicht mehr mit dem mit dem physikalischem Abstand zwischen Quelle und Senke identisch.
Figure imgf000018_0001
where w indicates the beam radius, w 0 indicates the beam radius with zero distance h = 0 (beam waist), (hh 0ff ) the distance between source and sink, λ the wavelength and n the refractive index. The correction factor h 0ff compensates for an offset between the positions of the actuators h and the actual distance between source and sink. With off- focus and defocusing elements, h off can compensate for the resulting offset as a source or sink. In this case, however, (hh 0ff ) is no longer identical to the physical distance between source and sink.
In vielen Anwendungsfällen ist der von einer Quelle ausgesandte Lichtstrahl kein idealer Gauß-Strahl. Um auch für diese Anwendungsfälle das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können, werden folgende Abhängigkeiten verwendet: Die Strahlweite in Form des Strahlradius als Funktion des Abstands zwischen Quelle und Senke ergibt sich aus der Formel für die Strahlaufweitung von Gaußstrahlen unter Berücksichtigung des Strahlqualitätsparameters
Figure imgf000019_0001
wobei ergänzend zu den bereits erläuterten Symbolen in dieser Formel der Strahlqualitätsparameter M2 verwendet wird, der anhand der Formel
Figure imgf000019_0002
bestimmbar ist. Weiterhin lässt sich der Abstand als Funktion der Strahlweite darstellen als
Figure imgf000019_0003
In many applications, the light beam emitted by a source is not an ideal Gaussian beam. In order to be able to carry out the method according to the invention for these applications as well, the following dependencies are used: The beam width in the form of the beam radius as a function of the distance between source and sink results from the formula for the beam expansion of Gauss beams, taking into account the beam quality parameter
Figure imgf000019_0001
in addition to the already explained symbols in this formula, the beam quality parameter M 2 is used, which is based on the formula
Figure imgf000019_0002
is determinable. Furthermore, the distance can be represented as a function of the beam width as
Figure imgf000019_0003
Fig. 5b zeigt die Abhängigkeit der Strahlweite als Funktion der Entfernung von der Strahltaille, also dem engsten Strahlquerschnitt in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parameterwerten der Strahlqualität. Die maximale Strahlqualität eines idealen Gaußstrahls ist dem Wert M2 = 1 zugeordnet. Hier findet die mit zunehmender Entfernung von der Strahltaille geringste Strahlaufweitung statt. Eine strärkere Strahlaufweitung ist anhand der weiteren Kurven in Fig. 5b erkennbar, die im Diagramm von unten nach oben gesehen den Strahlqualitätsparametern M2 = 1 ,2 ; 1 ,5 ; und 2 entsprechen. Fig. 5c zeigt in einem weiteren Diagramm die Abhängigkeit der Strahlweite als Funktion der Entfernung h von der Strahltaille w0 für unterschiedliche Werte der lateralen Ausdehnung Strahltaille, also dem Wert der Strahlweite bei verschwindender Entfernung von der Strahltaille. Alle in Fig. 5c dargestellten Kurven wurden für einen identischen Wert des Strahlqualitätsparameters M2 = 1 berechnet. Der Kurvenverlauf zeigt, dass mit sinkender Strahltaille die Aufweitung des Strahls zu höheren Entfernungswerten immer größer wird. 5b shows the dependence of the beam width as a function of the distance from the beam waist, ie the narrowest beam cross section as a function of different parameter values of the beam quality. The maximum beam quality of an ideal Gaussian beam is assigned to the value M 2 = 1. Here, the smallest beam expansion takes place with increasing distance from the beam waist. A stronger beam expansion can be seen on the basis of the further curves in FIG. 5b, which in the diagram, seen from the bottom up, correspond to the beam quality parameters M 2 = 1, 2; 1, 5; and 2 correspond. 5c shows in a further diagram the dependence of the beam width as a function of the distance h from the beam waist w 0 for different values of the lateral extent beam waist, ie the value of the beam width at vanishing distance from the beam waist. All curves shown in Fig. 5c were calculated for an identical value of the beam quality parameter M 2 = 1. The curve shows that as the beam waist decreases, the expansion of the beam to higher distance values becomes ever greater.
Fig. 6 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Betriebsverfahrens einer optischen Koppelvorrichtung wie in Fig. 4, hier zur Ermittlung eines aktuellen Abstandswertes zwischen einer Quelle und einer Senke. Es sei angemerkt, dass die Flussdiagramme der Fig. 6 bis 8 als Beispiel für den Abstandswert die z-Position annehmen, also einen mit nur einem einzigen Stellmotor einstellbaren Wert. Der Abstandswert (h oder h') kann jedoch je nach Konfiguration der Koppelvorrichtung (vgl. Fig. 3a und 3b) in anderen Varianten durch Verstellung von mindestens zwei, typischerweise allen drei Stellmotoren eingestellt werden. Die Beschränkung auf das Beispiel einer Verstellung allein mithilfe der z-Position ist daher nicht als beschränkend zu verstehen, sondern lediglich im Sinne eines einfachen Beispiels, anhand dessen die Funktion und die durchzuführenden Schritte besonders leicht erläutert werden können. 6 is a flowchart of one embodiment of an operating method of an optical coupling device as in FIG. 4, for determining a current distance value between a source and a sink. It should be noted that the flowcharts of FIGS. 6 to 8 show the z position as an example of the distance value assume, that is adjustable with only a single actuator value. Depending on the configuration of the coupling device (see Figures 3a and 3b), however, the distance value (h or h ') can be set in other variants by adjusting at least two, typically all three servomotors. The restriction to the example of an adjustment using only the z-position is therefore not to be understood as limiting, but merely in the context of a simple example, with the help of which the function and the steps to be performed can be explained particularly easily.
Zum Ermitteln eines Abstandswert nach motorischem Einstellen einer z-Position in einem Schritt S10 wird zunächst ein erster Wert einer lateralen, also x-y-Position eingestellt (Schritt S12) und bei angeschaltetem Justierlaser oder bei angeschalteter Lichtquelle der zu justierenden Vorrichtung an der eingestellten x-y-Position die eingekoppelte Intensität gemessen (S14). Anschließend wird geprüft, ob eine neue x-y-Position einzustellen ist (S16). Wenn dies der Fall ist, springt das Verfahren zurück zum Schritt S12 und wiederholt die Schritte S12 bis S16 solange, bis die Prüfung im Schritt S16 ergibt, dass die Steuereinheit keine neue x-y-Position einstellen lässt. Auf diese Weise wird also ein Scan der Intensitätsverteilung in der x-y-Ebene zum eingestellten Abstand (hier z) durchgeführt. Anhand der so ermittelten positionsabhängigen Intensitätsdaten bei der gegebenen Abstandsposition wird dann ein Wert der Strahlweite für den gegebenen Abstandswert ermittelt. Die bestimmte Strahlweite erlaubt es anschließend, mithilfe von zuvor abgelegten Referenz-Strahlweitedaten, wie sie in den Fig. 5a bis 5c dargestellt sind, die Strahlweite zu ermitteln (Schritt S20). In order to determine a distance value after a z-position has been motorized in a step S10, a first value of a lateral, ie xy, position is first set (step S12) and with the alignment laser switched on or with the light source of the device to be adjusted switched on at the set xy position the injected intensity is measured (S14). Subsequently, it is checked if a new x-y position is to be set (S16). If so, the process returns to step S12 and repeats steps S12 through S16 until the test at step S16 reveals that the control unit is not setting a new XY position. In this way, therefore, a scan of the intensity distribution in the x-y plane to the set distance (here z) is performed. On the basis of the thus determined position-dependent intensity data at the given distance position, a value of the beam width for the given distance value is then determined. The determined beam width subsequently makes it possible to determine the beam width by means of previously stored reference beam width data, as shown in FIGS. 5a to 5c (step S20).
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens einer erfindungsgemäßen optischen Koppelvorrichtung zur Ermittlung von Referenz-Strahlweitedaten, die auch als Kalibrier-Strahlweitedaten bezeichnet werden können. Dieses Verfahren kann vor dem Verfahren der Fig. 6 ausgeführt werden, um die Referenz-Strahlweitedaten bereitzustellen. Auch dieses Verfahrens ist vollautomatisch durchführbar, was insbesondere in der industriellen Herstellung optoelektronischer Bauteile oder bei Anwendungen, bei denen an häufig wechselnde Chips gekoppelt werden muss (z.B. Bio- Sensorik) ein großer Vorteil ist. Bei diesem Verfahren wird für verschiedene Abstandswerte, deren Einstellung jeweils in einem Schritt S30 erfolgt, eine vorgegebene Anzahl von x-y-Positionen eingestellt (S32) und an diesen x-y-Positionen die Intensität gemessen (S34). Aus der Messung bei einer vorgegebenen Abstandsposition wird jeweils die dortige Strahlweite bestimmt (S38). Dieser Schritt kann auch zu einem späteren Zeitpunkt der Verfahrensführung durchgeführt werden. Dasselbe Messverfahren wird durch Steuerung mit Hilfe von Schritt S40 für alle von der Steuereinheit vorgegebenen z-Positionen, also Abstandswerte durchgeführt. 7 shows an exemplary embodiment of an operating method of an optical coupling device according to the invention for determining reference beam width data, which can also be referred to as calibration beam width data. This method may be performed prior to the method of FIG. 6 to provide the reference beamwidth data. This method can also be carried out fully automatically, which is a great advantage in particular in the industrial production of optoelectronic components or in applications in which frequently changing chips have to be coupled (eg, biosensors). In this method, a predetermined number of xy positions are set for various distance values each set in a step S30 (S32), and the intensity is measured at these xy positions (S34). From the measurement at a given distance position, the respective beam width is determined in each case (S38). This step can also be done later in the process be performed. The same measuring method is carried out by control with the aid of step S40 for all z positions predefined by the control unit, ie distance values.
Bei dem Verfahren der Fig. 7 wird nach Aufnahme der Messwerte und Bestimmung der Strahlweite eine Aufweitungsfunktion als Funktion der Stellmotorabstandsposition bestimmt (S42) Diese entspricht beispielsweise der mit durchgezogener Linie gezeichneten Kurve im Diagramm Fig. 5a. Im nächsten Schritt kann die Nullposition des Abstands-Stellmotors entweder durch Vergleich der gemessenen Daten mit dem der ermittelten Aufweitungsfunktion (S42), alternativ aber auch mittels eines zusätzlichen Messverfahrens bestimmt werden. Als weitere alternative Möglichkeit kann der Abstandsnullpunkt des Stellmotors mithilfe einer Eingabe, also per Definition bestimmt werden. Die so ermittelten Referenzstrahlweitedaten werden dann in Form von Modellparametern und/oder Strahlweitedaten in Abhängigkeit vom Abstand gespeichert (S46), um dann für spätere Abstandsbestimmungen nach Fig. 6 herangezogen werden zu können. In the method of FIG. 7, after taking the measured values and determining the beam width, a widening function is determined as a function of the actuating motor distance position (S42). This corresponds, for example, to the curve drawn in a solid line in the diagram in FIG. 5a. In the next step, the zero position of the distance adjusting motor can be determined either by comparing the measured data with the determined expansion function (S42), or alternatively by means of an additional measuring method. As a further alternative possibility, the distance zero point of the servomotor can be determined by means of an input, ie by definition. The reference beam width data thus determined are then stored in the form of model parameters and / or beam width data as a function of the distance (S46), in order then to be used for later distance determinations according to FIG.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines Betriebsverfahrens einer selbstjustierenden optischen Koppelvorrichtung zur Einstellung eines Abstands-Sollwerts. Die Verfahrensführung geht davon aus, dass die Vorrichtung zuvor beispielsweise gemäß dem Verfahren der Fig. 7 kalibriert wurde. In einem Schritt S50 wird zunächst ein Abstandssollwert als Steuereingabe empfangen. Anschließend wird zunächst eine vorab konfigurierbare grobe Abstandsposition eingestellt (S52), die sicherstellt, dass weder die Quelle noch die Senke durch Einstellung dieses Grob-Abstandswertes Schaden nehmen. Der so eingestellte Abstandswert wird anschließend durch Ausführen eines Verfahrens nach Fig. 6 ermittelt (S54). Anhand des ermittelten Abstandswertes wird dann die Stellmotorposition ermittelt, die dem vorgegebenen Abstands-Sollwert entspricht (S56). Der oder die betreffenden Abstandsstellmotoren werden dann angesteuert, um die ermittelte Stellmotorposition einzustellen (S58), um damit den Abstands-Sollwert herzustellen. Schließlich erfolgt bei dem vorgegebenen Abstands-Sollwert eine laterale Justierung (S60), um die Einkopplung zu optimieren. Fig. 8 shows an example of an operation method of a self-aligning optical coupling device for setting a distance command value. The procedure assumes that the device has previously been calibrated according to the method of FIG. 7, for example. In a step S50, first, a distance command value is received as a control input. Subsequently, a pre-configurable coarse distance position is set (S52), which ensures that neither the source nor the sink will be damaged by setting this coarse distance value. The distance value thus set is then determined by executing a method of FIG. 6 (S54). Based on the determined distance value then the servomotor position is determined, which corresponds to the predetermined distance setpoint (S56). The pitch drive motor (s) are then driven to adjust the detected actuator position (S58) to establish the distance setpoint. Finally, a lateral adjustment (S60) takes place at the predetermined distance setpoint in order to optimize the coupling.

Claims

Ansprüche claims
1. Betriebsverfahren einer selbstjustierenden optischen Koppelvorrichtung zum selbsttätigen Ermitteln eines zu einer eingestellten Abstands-Stellgröße gehörigen Abstandswertes zwischen einer einen Lichtstrahl aussendenden optischen Quelle und einer optischen Senke, in die der Lichtstrahl einzukoppeln ist, umfassend: A method of operating a self-aligning optical coupling device for automatically determining a distance value associated with a set distance manipulated variable between an optical source emitting a light beam and an optical sink into which the light beam is to be coupled, comprising:
- Bereitstellen von Referenz-Strahlweitedaten, die Werte einer Strahlweite als Funktion unterschiedlicher Abstandswerte zwischen einer Auskoppelebene der Quelle und einer Einkoppelebene der Senke repräsentieren; Providing reference beamwidth data representing values of a beamwidth as a function of different distance values between a source coupling-out plane and a sinking plane of the sink;
- Einstellen einer Vielzahl lateraler Relativpositionen von Quelle und Senke bei ein und derselben, die Einkoppelebene bestimmenden Abstands-Stellgröße, und jeweils Erfassen eines Intensitätssignals, das ein Maß für eine von einer Auskoppelfläche der Quelle in der Auskoppelebene ausgekoppelte und in die Einkoppelfläche der Senke eingekoppelte Lichtintensität ist; - Setting a plurality of lateral relative positions of the source and sink at one and the same, the coupling plane determining distance control variable, and each detecting an intensity signal, which is a measure of a coupled from a coupling surface of the source in the Auskoppelebene and coupled into the coupling surface of the sink light intensity is;
- Berechnen eines Wertes einer die Strahlweite des von der Quelle ausgekoppelten Lichtstrahls in der Einkoppelebene repräsentierenden Größe anhand der erfassten Lichtintensitäten in der Vielzahl lateraler Relativpositionen; und Calculating a value of a quantity representing the beam width of the light beam coupled out from the source in the coupling-in plane on the basis of the detected light intensities in the multiplicity of lateral relative positions; and
- Bestimmen des senkrechten Abstandswertes, welcher der eingestellten Abstands-Stellgröße zugeordnet ist, anhand des ermittelten Wertes der Strahlweite und anhand der Referenz-Strahlweitedaten. - Determining the vertical distance value, which is assigned to the set distance control variable, based on the determined value of the beam width and based on the reference beam width data.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Abstands-Stellgröße eine Aktuator-Position, insbesondere eine Stellmotorposition eines oder mehrerer Stellmotoren ist. 2. Operating method according to claim 1, wherein the distance control variable is an actuator position, in particular a servomotor position of one or more servo motors.
3. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, zusätzlich umfassend vor der Ermittlung des Abstandswertes: 3. Operating method according to claim 1 or 2, additionally comprising before the determination of the distance value:
Aufnehmen der Referenz-Strahlweitedaten in einer selbsttätigen Kalibrierungsprozedur vor Ermittlung des Abstandes, umfassend Including the reference beam width data in an automatic calibration procedure before determining the distance, comprising
— Einstellen unterschiedlicher Abstands-Stellmotorpositionen zwischen der Einkoppelebene und der Auskoppelebene und Erfassen der von der Quelle ausgekoppelten und in die Senke eingekoppelten Lichtintensität in einer Vielzahl unterschiedlicher lateraler Relativpositionen von Quelle und Senke bei jeder eingestellten Abstands-Stellmotorposition, sowie Ermitteln eines jeweiligen Wertes der die Strahlweite bei der jeweiligen Abstands-Stellmotorposition repräsentierenden Größe; - Setting different distance actuator positions between the coupling plane and the Auskoppelebene and detecting the source decoupled and coupled into the sink light intensity in a plurality of different lateral relative positions of source and sink at each set distance actuator position, and determining a respective value of the beam width at the respective distance actuator position representative size;
— Bestimmen einer die Strahlweite als Funktion der Stellmotor- Abstandsposition zwischen Einkoppelebene und Auskoppelebene beschreibenden Aufweitungsfunktion anhand der bei den verschiedenen Stellmotor- Abstandspositionen ermittelten Strahlweiten anhand eines vorgegebenen mathematischen Strahlmodells; und Determining an expansion function describing the beam width as a function of the positioning motor distance position between the coupling-in plane and the coupling-out plane on the basis of the beam widths determined at the various positioning motor pitch positions on the basis of a predetermined mathematical beam model; and
— Ermitteln und Zuordnen von Abstandswerten zu den Abstands- Stellmotorpositionen anhand der bestimmten Aufweitungsfunktion und des ermittelten Stellmotor-Abstandsnullpunktes. Determining and assigning distance values to the distance actuator positions based on the determined expansion function and the determined actuator distance zero point.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als die Größe, welche die Strahlweite des von der Quelle ausgekoppelten Lichtstrahls in der4. The method according to at least one of the preceding claims, wherein as the size which the beam width of the light beam coupled out from the source in the
Einkoppelebene repräsentiert, entweder die Halbwertsweite des Lichtstrahls oder die 1/e- Weite der Lichtintensität in mindestens einer Richtung in der Einkoppelebene ermittelt wird, und bei dem die Einstellung der Vielzahl der lateraler Relativpositionen zur Erfassung von Lichtintensitäten bei ein und derselben Abstands-Stellmotorposition in einer lateralen Richtung mindestens bis zum Unterschreiten der Halbwerte beziehungsweise der 1/e-Werte der Lichtintensität beiderseits eines Intensitäts- Hauptmaximums durchgeführt wird. Einkoppelebene represents, either the half-value of the light beam or the 1 / e-width of the light intensity is determined in at least one direction in the Einkoppelebene, and wherein the setting of the plurality of lateral relative positions for detecting light intensities at one and the same distance actuator position in a lateral direction at least until it falls below the half values or the 1 / e values of the light intensity on both sides of a main intensity maximum is performed.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Strahlmodell für das aus der Auskoppelebene ausgekoppelte Licht einem gaußförmigen Strahlprofil entspricht. 5. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the beam model for the decoupled from the decoupling light corresponds to a Gaussian beam profile.
6. Steuerverfahren einer mit Stellmotoren in drei Dimensionen einstellbaren, selbstjustierenden optischen Koppelvorrichtung zur selbsttätigen Einstellung eines vorgegebenen Abstandwertes zwischen einer optischen Quelle und einer optischen Senke, umfassend: - Ansteuern mindestens eines der Stellmotoren zum Einstellen einer vorbestimmten Start- Stellmotorposition, die die Einkopplung einer erfassbaren Lichtintensität des aus der Quelle ausgekoppelten Lichtstrahls in eine Einkoppelfläche der Senke ohne Risiko eines unmittelbaren mechanischen Kontaktes zwischen Quelle und Senke ermöglicht; 6. Control method of an adjustable with servomotors in three dimensions, self-adjusting optical coupling device for automatically setting a predetermined distance between an optical source and an optical sink, comprising: - driving at least one of the servomotors for setting a predetermined start actuator position, the coupling of a detectable Light intensity of the coupled out of the source light beam into a coupling surface of the sink without risk of direct mechanical contact between the source and sink allows;
- Durchführen eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Ermittlung eines der Start-Stellmotorposition zugeordneten Abstandswertes; Carrying out a method according to at least one of claims 1 to 5 for determining a distance value assigned to the starting servomotor position;
- Ermitteln einer dem vorgegebenen Abstandwert zugeordneten Abstands- Stellmotorposition anhand der Referenz-Strahlweitedaten; und - Determining a the predetermined distance associated distance actuator position based on the reference beam width data; and
- Ansteuern mindestens eines der Stellmotoren zum Einstellen der ermittelten Abstands- Stellmotorposition. - Controlling at least one of the servomotors for setting the determined distance actuator position.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein nano-photonischer Gitterkoppler entweder die Quelle oder die Senke bildet. A method according to any one of the preceding claims, wherein a nano-photonic grating coupler forms either the source or the well.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine optische Faser entweder die Senke oder die Quelle bildet. A method according to any one of the preceding claims, wherein an optical fiber forms either the well or the source.
9. Optische Koppelvorrichtung zum Einkoppeln eines Lichtstrahls, der aus einer eine Auskoppelebene definierenden Auskoppelfläche einer optischen Quelle auskoppelbar ist, in eine optische Senke, die eine Einkoppelfläche aufweist, welche eine Einkoppelebene definiert, umfassend 9. Optical coupling device for coupling a light beam, which can be coupled out of a decoupling plane defining a decoupling surface of an optical source, in an optical sink having a coupling surface, which defines a Einkoppelebene comprising
- eine Haltevorrichtung mit steuerbaren Stellmotoren, die ausgebildet ist, Relativpositionen der Quelle und der Senke zueinander in drei Dimensionen einzustellen, - eine Sensoreinheit, die angeordnet und ausgebildet ist, ein Intensitätssignal zu erzeugen und auszugeben, das ein Maß für eine von der Quelle ausgekoppelte und in die Einkoppelfläche der Senke eingekoppelte Lichtintensität ist; a holding device with controllable servomotors, which is designed to set relative positions of the source and the sink to one another in three dimensions; a sensor unit, which is arranged and configured to generate and output an intensity signal which is a measure of one coupled out of the source and is in the coupling surface of the sink coupled light intensity;
- eine Steuervorrichtung, die ausgebildet ist, zur Ermittlung eines Abstandswertes zwischen der Auskoppelebene und der durch die eingestellte Stellmotor-Abstandsposition bestimmten Einkoppelebene die Haltevorrichtung anzusteuern, eine Vielzahl unterschiedlicher lateraler Stellmotorpositionen der Einkoppelfläche in der Einkoppelebene einzustellen sowie die Sensoreinheit anzusteuern, in den eingestellten lateralen Stellmotorpositionen jeweils die der von der Quelle ausgekoppelte und in die Senke eingekoppelte Lichtintensität zu erfassen, - A control device which is adapted to control the determination of a distance value between the Auskoppelebene and determined by the adjusted servo motor distance position Einkoppelebene the holding device to set a plurality of different lateral Stellmotorpositionen the coupling surface in the Einkoppelebene and to control the sensor unit, in the set lateral Stellmotorpositionen each of the decoupled from the source and in the Sink to capture coupled light intensity,
- eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, für jede eingestellte Stellmotor- Abstandsposition anhand der in den unterschiedlichen lateralen Stellmotorpositionen erfassten Lichtintensitäten einen Wert einer eine Strahlweite des von der Quelle ausgekoppelten Strahls in der Einkoppelebene repräsentierenden Größe zu berechnen und anhand von vorbestimmten Referenz-Strahlweitedaten, die Werte der Strahlweite als Funktion von Abstandswerten zwischen der Auskoppelebene und der Einkoppelebene angeben, den gegebenen Abstandswert zu ermitteln. an evaluation unit which is designed to calculate a value of a quantity representing a beam width of the beam coupled out from the source in the coupling-in plane for each set actuator distance position on the basis of the light intensities detected in the different lateral actuator positions and on the basis of predetermined reference beam width data Specify values of the beam width as a function of distance values between the coupling-out plane and the coupling-in plane to determine the given distance value.
10. Koppelvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Steuervorrichtung zusätzlich ausgebildet ist, die Haltevorrichtung, die Sensoreinheit und die Auswerteeinheit zum10. Coupling device according to claim 9, wherein the control device is additionally formed, the holding device, the sensor unit and the evaluation unit for
Durchführen einer selbsttätigen Kalibrierungsprozedur anzusteuern, umfassend Performing an automatic calibration procedure, comprising
— Einstellen unterschiedlicher Abstands-Stellmotorpositionen zwischen der optischen Quelle und der optischen Senke und Erfassen der von der Quelle ausgekoppelten und in die Senke eingekoppelten Lichtintensität in einer Vielzahl unterschiedlicher lateraler Relativpositionen von Quelle und Senke bei jeder eingestellten Abstands-Stellmotorposition, sowie Ermitteln eines jeweiligen Wertes der die Strahlweite bei der jeweiligen Abstands-Stellmotorposition repräsentierenden Größe; Adjusting different pitch servomotor positions between the optical source and the optical well, and detecting the light intensity coupled out from the source and coupled into the well in a plurality of different lateral relative positions of source and sink at each adjusted distance servomotor position, and determining a respective value of the the beam width at the respective distance actuator position representative size;
— Bestimmen einer die Strahlweite als Funktion der Stellmotor- Abstandsposition zwischen Einkoppelebene und Auskoppelebene beschreibenden- Determining a the beam width as a function of the Stellmotor- distance position between coupling plane and Auskoppelebene descriptive
Aufweitungsfunktion anhand der bei den verschiedenen Stellmotor- Abstandspositionen ermittelten Strahlweiten anhand eines vorgegebenen mathematischen Strahlmodells; Expander function based on the beam widths determined at the different actuator distance positions using a given mathematical beam model;
— Ermitteln und Zuordnen von Abstandswerten zu den Abstands- Stellmotorpositionen anhand der bestimmten Aufweitungsfunktion und des ermittelten Stellmotor-Abstandsnullpunktes. Determining and assigning distance values to the distance actuator positions based on the determined expansion function and the determined actuator distance zero point.
11. Koppelvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Steuervorrichtung ausgebildet ist, zur selbsttätigen Einstellung eines vorgegebenen Abstandwertes zwischen der optischen Quelle und der optischen Senke 11. Coupling device according to claim 9 or 10, wherein the control device is designed for automatically setting a predetermined distance value between the optical source and the optical sink
- mindestens einen der Stellmotoren anzusteuern, einer vorbestimmten Start- Stellmotorposition einzustellen, die die Einkopplung einer erfassbaren Lichtintensität des aus der Quelle ausgekoppelten Lichtstrahls in eine Einkoppelfläche der Senke ohne Risiko eines unmittelbaren mechanischen Kontaktes zwischen Quelle und Senke ermöglicht; - einen der Start-Stellmotorposition zugeordneten Abstandswert zu ermitteln; - to control at least one of the servomotors, a predetermined start Adjusting actuator position, which allows the coupling of a detectable light intensity of the coupled out of the source light beam in a coupling surface of the sink without risk of direct mechanical contact between the source and sink; to determine a distance value assigned to the starting servomotor position;
- eine dem vorgegebenen Abstandwert zugeordnete Abstands-Stellmotorposition anhand der Referenz-Strahlweitedaten zu ermitteln; und to determine a distance actuator position assigned to the predetermined distance value on the basis of the reference beam width data; and
- mindestens einen der Stellmotoren zum Einstellen der ermittelten Abstands- Stellmotorposition anzusteuern. - To control at least one of the servomotors for setting the determined distance actuator position.
12. Koppelvorrichtung nach Anspruch 11 , bei der die Steuervorrichtung zusätzlich ausgebildet ist, mindestens einen der Stellmotoren anzusteuern, eine vorgegebene laterale Relativposition einzustellen. 12. Coupling device according to claim 11, wherein the control device is additionally designed to control at least one of the servomotors to set a predetermined lateral relative position.
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