CN115413326A - 光场的光耦合和模式选择性分离或叠加 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光耦合和用于光场的模式选择性分离或叠加的装置、其用途以及用于产生基于波导的光耦合元件(10)的方法，该基于波导的光耦合元件设计为用于在光学组件(400)的另外的光耦合点(410)处模式选择性分离或叠加光场。该装置包括至少一个具有至少三个光耦合点(100、370、380)的基于波导的光耦合元件(10)，以及具有至少一个另外的光耦合点(410)的至少一个光学组件(400)，其中至少一个光耦合点(100、370、380)光学连接到至少一个另外的光耦合点(410)，并且其中基于波导的光耦合元件(10)设计成在与第一光耦合点(100)和第二光耦合点(370)相关联的本征模(120、260)之间以及与第一光耦合点(100)和第三光耦合点(380)相关联的本征模(130、280)之间高效且双向地传输光。

Description

光场的光耦合和模式选择性分离或叠加

技术领域

本发明属于集成光子学和微光学领域，尤其涉及微光学和纳米光学系统，其中光通过光耦合点在各种光学元件之间传输或在自由空间伸展段和光学元件之间传输。具体地，本发明涉及用于光耦合和用于光场的模式选择性的分离或叠加的装置及其用途，以及制造基于波导的光耦合元件的方法，该光耦合元件配置用于在光学组件部分的光耦合点处进行模式选择性分离或叠加。

背景技术

集成光学或微光学系统的功能通常决定性地取决于要传输的光在各个光耦合点是否具有一定的空间分布和偏振；例如，用于获得高耦合效率，在基于波导的组件的情况下用于促进某些波导模式的有效激发，或者用于将组件发射的光转换为自由空间中所需的场分布。在这种情况下，光的分布和偏振一般用矢量模场来描述，它包括矢量电场E(x,y)的空间分布和矢量磁场H(x,y)的空间分布。

根据现有技术，通常使用离散的光学元件来调整模场的强度分布，光学元件诸如透镜、梯度折射率光纤、曲面镜或其他折射、衍射或反射光学元件。相比之下，偏振操纵的光学元件，例如偏振滤波片或双折射光学元件(尤其是半波片或四分之一波片)，或合适的光纤(例如，保偏光纤)通常用于设置电场和磁场的场矢量的方向。在许多实际应用中，这些元件需要适当地相互组合，特别是为了在光学元件的光耦合点处获得所需的矢量模场分布。首先，这导致相对较大的布置，其安装空间通常比相关的光学组件的安装空间大数倍。此外，各个分立的光学元件必须相对于彼此非常精确地对准，并且相对于光学组件的光耦合点非常精确地对准。这通常需要耗时且昂贵的调整方法，特别是在定位过程期间连续测量和优化光学耦合效率的主动调整方法。这种调整方法应用复杂，仅适用于光学或微光学系统的批量产生。

当来自自由空间、来自光纤或来自光学组件部分的光旨在耦合到另一个元件的单模波导的，尤其由偏振方向限定的特定模式中时，该问题尤其出现。在轴向均匀的波导(即在传播方向上具有不变的横截面轮廓的波导)的情况下，术语“波导模式”表示电磁场的一种形式，这种形式不改变传播期间在轴向上的横向空间依赖性。波导模式可以具有下限频率，在相应的波导中引导模式降至该频率，然而不再可能引导至更低的频率。“基本模式”表示与相同模式族的其他模式相比具有最低极限频率的波导模式，模式族例如由偏振确定。在阶梯轮廓波导的情况下，基本模式的区别在于：属于模场的横向强度分布在波导中心的区域中具有单个最大值，否则横向强度分布中没有零点。

在许多情况下，引导的波导模式可以根据它们的偏振状态被细分为两个不同的模式族，该模式族尤其被称为“横电”(“TE”)或“横磁”(“TM”)。在这种情况下，可以为每个模式族确定具有最低极限频率的场分布，因此存在具有不同偏振状态的两个基本模式。下面，“单模波导”被理解为是指用于电磁辐射的波导，其中至多两个具有不同偏振的相互正交的基本模式能够在工作频率下沿波导轴线传播。波导模式的术语“偏振”或“偏振方向”描述了属于该波导模式的电场矢量的方向，其中经常使用在许多情况下占主导地位的电场横向分量的方向。

在具有连续或离散旋转对称形式(例如圆形或方形形式)的横截面的波导的情况下，经常出现简并或几乎简并的波导模式，这些波导模式具有相同或相似的传播常数，并且其模场能够通过适当的旋转而完全或近似地相互转换。此外，在简并模或几乎简并模的情况下，两个模场的任何线性组合都将以与初始模式相同的传播常数沿轴向传播，并且在此过程中将完全或大致保持其横向场分布。两个简并或几乎简并波导模的叠加的偏振特性可以通过相关的偏振状态来描述——其方式类似于自由空间中平面波的叠加。当在它们之间耦合各种光学元件或当它们连接到光纤时，也可能发生这种情况，特别是当来自第一单模或多模波导的具有不同偏振的两个简并或几乎简并模的光必须耦合到另外两个具有非简并的本征模的单模或多模波导中时，在提到的后面两个波导中的每一个中仅激发相应的本征模。例如，当耦合来自具有旋转对称的横截面轮廓光纤(例如标准单模光纤)的光时就是这种情况，由此将不同偏振的模式简并为集成光学芯片上的强双折射波导的基本模式(通常称为TE或TM)。

US 7127131B2公开了一种集成光学偏振分束器，其在平面半导体衬底上使用平面微结构化方法由其中被称为“芯层”的多个层制造。因此，该结构不仅需要相对复杂的产生过程，该过程包含具有高重叠精度的至少两个层的加工，而且还受到由平面构造的结构几何形状的限制，结构几何形状通常是具有平行的底面和顶面近似棱柱状的部分结构，其中所有波导或部分波导的中心线位于同一平面内或相互平行的平面内。这限制了功能，例如导致两个分离的模的不对称损失。此外，其中描述的组件仅适用于分离光学芯片上的两个偏振。

US 7228015B2公开了一种集成光波导，其导致在其中传播的光场的偏振旋转90°。它同样由多个称为“芯层”的离散层构成，由此只能粗略地近似其理想形式，该理想形式的光波导具有沿其纵轴扭曲的矩形横截面。因此，它同样受到由平面构造的结构几何形状的限制，结构几何形状近似棱柱状的部分结构具有平行的底面和顶面，其中所有波导的中心线位于共同平面或相互平行的平面中。它还需要复杂的产生工艺，该工艺通过重复应用传统的微结构化方法，特别是通过使用平面结构化掩模和各向异性蚀刻工艺来处理各个层。

Watts等人在Polarization splitting and rotating through adiabatictransitions,Integrated Photonics Research,A.Sawchuk,ed.,Vol.91of OSA Trendsin Optics and Photonics,2003中描述了一种集成光学结构，该结构结合了US7127131B2中公开的偏振分束器和US7228015B2中公开的偏振旋转装置。因此，它基本上受到与相关部分结构相同的限制。由多个离散层实施制成，这些层被施加到平面半导体衬底并且使用传统的平面微结构化方法进行处理。

Schumann等人在Hybrid 2D-3D optical devices for integrated optics bydirect laser writing,Light Science and Applications,Vol.3,No.6,2014中公开了通过3-D光刻在芯片表面上制造的聚合物波导，所述聚合物波导沿其纵轴具有扭曲，从而允许偏振旋转。其中描述的结构仅用于使光学芯片上的两个Si₃N₄波导互连。

Hahn等人在Polarizing beam splitter integrated onto an optical fiberfacet,Optics Express,Vol.26,No.25,2018中描述了通过3-D光刻在光纤的刻面上制造的偏振分束器。偏振分束器包括层状光栅，该层状光栅具有所用光的真空波长量级的光栅周期，或具有较短的光栅周期(也被称作“亚波长层状光栅”)。在层状光栅中，具有称为“TE”的偏振的辐射入射光耦合到一定的衍射级，而称为“TM”的另一种偏振在很大程度上不受干扰地穿过光栅。

WO 92/00185 A1公开了一种光学波导的产生，其通过将来自高功率激光器的光束通过透镜聚焦到可光结构化材料中以在焦点处实现该材料的光引发聚合。沿着通过将焦点移动通过可光结构化材料而产生的路径产生聚合材料的链，该链具有比周围材料主体更高的折射率并且能够充当光波导。可以使用该方法产生包括多个波导链的光波导装置。

US 2018/0314005 A1公开了一种平面集成偏振分束器，其包括由氮化硅制成的波导芯并且配置为将输入光信号分成不同偏振的两个波导模式。然而，这种布置是通过平面微结构化方法产生的结构，相对于本申请中使用的自由形状结构，该结构同样具有在US7127131B2和US 7228015B2的上下文中描述的限制。

US 8 903 205 B2和US 9 034 222 B2公开了一种用于使用光学自由形状波导来互连不同光学组件的方法和布置，该光学自由形状波导通过在目标位置使用3-D光刻而制造。就位置、形式和尺寸而言，自由形状波导可以很容易地适应要连接的光学组件的位置、形式和尺寸，这一事实在此得到了利用。

发明目的

由此出发，本发明的目的是提供一种用于光耦合和用于光场的模式选择性分离或叠加的装置、该装置的用途、以及用于产生基于波导的光耦合元件的方法，该光耦合元件配置为在光学元件的光耦合点处对光场进行模式选择性分离或叠加，这至少部分地克服了现有技术的缺点和限制。

特别地，本发明的目的在于使用该装置和方法将光耦合到光学组件部分和/或在两个或更多个光学组件部分之间耦合光的同时调整空间模场分布和偏振。此外，在相反方向上，本发明应该允许光耦合离开光学组件部分并且应该允许使所述光具有特定场分布和偏振。

该装置应该尽可能紧凑并且还应该能够以尽可能少的费用自动大量生产。此外，该布置应该使其自身相对于至少一个部件的小平面精确对准，而不需要复杂的调整方法，特别是不需要主动调整方法，并且不会使光学组件部分的制造过程更加困难，特别是能够避免使用复杂的集成光模场转换器或偏振转换器。

该装置和方法还应允许分离空间重叠但偏振的场分量不同的输入场，并允许将分离的场分量供应到不同的、空间不重叠的光波导；该功能可与光学系统中由分立元件构成的“偏振分束器”相媲美。

此外，在相反的方向上，该布置和方法应该允许来自不同的、空间上不重叠的光波导的光的组合，以及允许叠加以不同偏振场分量的形式的光来形成输出场；这个功能相当于“偏振光束组合器”。

特别地，该布置和方法旨在允许具有可能的垂直偏振方向的简并的本征模的光纤以这样的方式耦合到两个集成光波导，即来自光纤的两个相互正交的本征模中的第一本征模的光可以转换为第一集成光波导的某个基本模式，而来自光纤的相互正交的本征模中的第二本征模的光可以转换为第二集成光波导的基本模式。

此外，传播方向的反向应该允许来自两个空间分离的光波导的光以光纤的两个相互正交的本征模的形式叠加。

在这种情况下，该装置应灵活适用于多种光学集成平台，并且应尽可能在没有额外分离的光学元件的情况下实现，相关方法旨在尽可能无缝地插入到光学构造的过程和连接技术中。

发明内容

该目的通过一种用于光耦合和用于光场的模式选择性分离或叠加的装置、通过使用该装置、以及通过一种用于产生被配置用于在光学组件的光耦合点处进行模式选择性分离或叠加的基于波导的光耦合元件的方法来实现，其具有独立权利要求的特征。在从属权利要求中提供了可单独或以任意组合实现的有利发展。

下文将以非排他的方式使用词语“具有”、“包括”或“包含”或任何所需的语法偏差。因此，这些词可以与除了由这些词引入的特征之外不存在其他特征的情况有关，也可以与存在一个或多个另外的特征的情况有关。例如，表述“A具有B”、“A包括B”或“A包含B”可以与A中不存在除B之外的其他元素的情况相关(即，与A仅由B组成的情况相关)，还可以是除了B之外，A中还存在一种或多种其他元素，例如元素C、元素C和D，甚至其他元素的情况。

还应指出，“至少一个”和“一个或多个”的表达以及这些表达的语法偏差在与一个或多个元素或特征结合使用时，如果所述表达旨在表达该元素或特征可以提供一次或多次，通常仅使用一次，例如在首次引入特征或元素时。如果随后再次提及该特征或元素，则通常不再使用相应的术语“至少一个”或“一个或多个”，而不限制该特征或元素可以被提供一次或多次的可能性。

此外，下文结合可选特征使用词语“优选地”、“尤其地”、“特别地”、“例如”或类似词语，替代实施例不受此限制。例如，由这些词引入的特征是可选特征，并且无意通过这些特征限制权利要求的范围，特别是独立权利要求的范围。例如，如本领域技术人员将理解的，本发明也可以使用不同的配置来执行。类似地，通过“在本发明的实施例中”或通过“在本发明的示例性实施例中”引入的特征被理解为可选特征，而无意于在此限制替代配置或独立权利要求的范围。此外，这些介绍性表达并不旨在涉及将本文介绍的特征与其他特征结合的所有可能性，无论是可选的还是非可选的特征。

在第一方面，本发明涉及一种用于光耦合和用于光场的模式选择性分离或叠加的装置，该装置至少包括：

-具有至少三个光耦合点的至少一个基于波导的光耦合元件，

ο至少一个第一光耦合点，其具有分配给第一光耦合点的至少两个不同的引导的本征模，

ο至少一个第二光耦合点，其具有分配给第二光耦合点的至少一个引导的本征模，以及

ο至少一个第三光耦合点，其具有分配给第三光耦合点的至少一个引导的本征模，

-至少一个光学组件部分，其具有至少一个另外的光耦合点；

其中，基于波导的光耦合元件的至少一个光耦合点光学连接到光学组件部分的至少一个另外的光耦合点，并且

其中，基于波导的光耦合元件配置为高效地双向传输光

ο在分配给第一光耦合点的至少一个第一引导的本征模和分配给第二光耦合点的至少一个引导的本征模之间，以及

ο在分配给第一光耦合点的至少一个第二引导的本征模和分配给第三光耦合点的至少一个引导的本征模之间。

术语“光辐射”、“辐射”或“光”涉及可以在波导中引导的任何类型的电磁波。除了真空波长λ介于400nm和800nm之间的可见光范围之外，这尤其包括1nm≤λ≤400nm的UV范围、800nm≤λ<1mm的红外范围和1mm≤λ≤1m的微波范围，其中30μm≤λ≤3mm的范围也称为“太赫兹范围”，1mm≤λ≤1cm的范围也称为“毫米波范围”。如果没有其他提及，下面指定的数值，特别是对于结构尺寸或用于描述微结构化方法的性能指标，例如分辨率或精度，与配置用于大约1.5μm的真空工作波长λ的布置有关。对于其他工作波长，指定的数值可以与波长成比例地缩放，特别是考虑到所用材料的折射率。

此外在本文中使用的术语“光耦合点”、“光学耦合结构”和“小平面”在每种情况下表示

-首先是发光光学组件的区域或发光光学组件的结构的区域，所述光的发射期间光最后通过该区域，以及

-其次是光接收光学组件的区域或光接收光学组件的结构的区域，当接收到所述光时，光首先照射在该区域上。

下面，术语“光学组件部分”和“光学组件”表示配置为发射、传输、接收、检测和/或操纵电磁辐射的光学元件，而术语“光学系统”表示至少两个光学组件的装置，或者表示根据本发明的一种或多种装置的组合，在其中具有至少一种光学元件或与根据本发明的装置组合产生的至少一种另外的附加结构的组合，尤其是至少一个光波导或至少一个微光学元件。优选地，在本发明范围内使用的每个光学组件选自：光纤，特别是由有机或无机材料制成的单模光纤或多模光纤；基于半导体的集成光学芯片，特别是光电二极管、线性或平面光电二极管阵列、CCD阵列或图像传感器，特别是基于半导体，优选硅或III-V化合物半导体，或介电材料，优选玻璃、二氧化硅、氮化硅或聚合物；辐射热计；激光器，特别是垂直腔面发射激光器(VCSEL)或边缘发射激光器；超发光二极管；光路板；自由光束光学元件，特别是透镜、分束器、隔离器、镜子或衍射光栅。其他光学组件是可以想象的。光学组件可以优选地包括具有低指数对比度的光波导，特别是基于玻璃的光波导，或具有中等或高指数对比度的波导，特别是基于半导体的波导。光的输入耦合或输出耦合可以优选地发生在光学组件的边缘或表面上；特别是，在边缘发射激光器的边缘、芯片边缘或基于波导的系统的小平面处；或者，在表面发射激光器或表面照明光电二极管的表面上，或在包括至少一个光耦合点的基于波导的芯片的表面上，特别是选自光栅耦合器或偏转镜。然而，输入耦合或输出耦合光的其他方法是可能的。

为了将光低损耗地耦合到光学元件的光耦合点中，光优选地在限定的位置以限定的方向辐射到光耦合点中，使得光具有限定的场分布。相反地，光耦合点在限定的位置使光带有限定的场分布地以限定的方向辐射。在本文中，术语“矢量场分布”或“场分布”被理解为表示复矢量电场(E场)和磁场(H场)的组合，它们定义了电磁场的强度分布和偏振，其中“偏振”指的是相应矢量场的方向。此外，场分布的“正交性”一词与集成光学中通常使用的正交关系有关；参见，例如，Katsunari Okamoto，Fundamentals of Optical Waveguides，Academic Press，2006，页面154-155。

表示与波导横截面相关联的波导模式的矢量场分布的术语“模场”和“模场分布”用于与光波导相关的场分布。如已经提到的，在轴向方向上均匀的波导的情况下，术语“波导模式”、“本征模”或简称的“模式”表示在轴向传播情况下不改变其横向空间依赖性的电磁场形式。在更复杂的波导的情况下，例如其横截面轮廓在轴向方向上周期性地变化，相关的模场也可能相应地周期性地变化其横截面轮廓在轴向方向上变化足够慢(即绝热变化)的波导通常可以被描述为良好地近似于基于相应缓慢变化(即绝热变化)的模场。

用于光耦合和用于光场的模式选择性分离或叠加的本装置包括简称为“光耦合元件”的基于波导的光耦合元件，并且光耦合元件允许光耦合到光学组件部分中和/或在至少两个光学组件部分之间传输，同时调整空间模场分布和偏振。关于光耦合元件，术语“基于波导的”在这种情况下描述了一种结构，其中光至少部分地由为此配置的波导引导。为此，原则上，可以在任何波导概念的基础上实现基于波导的光耦合元件。介电波导优选适用于此目的；或者，可以使用金属波导，特别是用于微波范围的中空波导，或等离子体结构。

因此，基于波导的光耦合元件首先适用于分裂存在于光耦合元件的第一光耦合点处的至少两个相互正交或几乎正交的场分布的叠加，并且适用于同时操纵相关的空间场分布和/或偏振。其次，基于波导的光耦合元件可以用于操纵(关于它们的场分布和/或偏振)在至少两个空间分离的光耦合点中辐射的光信号，以使不同模式的空间重叠的部分场的形式辐射的光信号叠加，然后在至少一个输出耦合点提供部分场的叠加。

此外，可以将基于波导的光耦合元件用作偏振滤波片。为此，要关于偏振进行滤波的光信号可以通过第一光耦合点耦合到光耦合元件中。与偏振相关的被滤波的期望信号然后可在第二光耦合点或第三光耦合点的引导的本征模之一中获得，而要通过偏振滤波抑制的信号分量被提供给连接到对应的其他光耦合点的终端元件。终端元件或束流收集器被理解为一种结构，它接收和吸收入射光而没有明显的背反射，或将所述光辐射到周围环境中，从而不会重新耦合到基于波导的光耦合元件或与之相连的光学组件部分之一中。在束流收集器的输入处的背反射的功率水平优选地比入射功率低至少10dB，特别优选地至少20dB或30dB。在优选实施例中，可以以连续逐渐变细的锥形结构的形式实施束流收集器，由此可以特别地在吸收表面的方向上发射光。与光学组件的耦合可以直接实现，或者如上所述，通过至少一个连接波导或至少一个自由光束耦合伸展来实现。

基于波导的光耦合元件可以通过三维自由形状微结构化方法在光学组件部分的光耦合点处或在至少一个光学组件部分的至少两个光耦合点之间原位产生，并且在该过程中，可以特别关于一个光学组件部分或至少两个光学组件部分的位置、形状和/或尺寸方面进行调整。在以下给出的解释中，在光耦合元件的第一光耦合点处馈入或发射的至少两个空间重叠、正交或几乎正交的场分布原则上被解释为不同偏振的基本模式；然后，相关的装置实现了偏振分束器或偏振合束器的功能。术语“模式选择性”表示根据本发明的装置可用于分离任何模式，特别是具有相同偏振但不同场分布的两个模式，这是基于波导的光耦合元件的适当调整设计的结果。

可以用来分离模式的是，这些模式在适当形成的波导中以不同的强度被引导，因此可以通过波导的几何偏差来实现分离。在本文中，波导的“强引导”模式被理解为是指具有比在该波导中引导的被称为“弱引导”的其他模式显着更大的传播常数并因此具有显着更大的有效折射率的波导模式。特别地，强引导模式的区别在于它们对波导轨迹和/或沿传播方向的波导横截面的变化(例如扭曲或直径的变化)，与弱引导模式相比，具有基本上更强的调节。在波导中仅存在强引导模式的情况也是可以想象的。在许多情况下，强引导波导模式是其电场主要沿波导芯具有其最大范围的方向偏振的基本模式。

作为通过几何偏差波导分离模式的替代方案，可以设想这样的配置，其中以类似于所谓的“定向耦合器”的方式使用要与平行运行的波导分离的模式的不同强耦合。另一个选择包括通过在轴向方向上对波导横截面进行周期性调制来有针对性地转换模式，该调制的基本波数对应于要耦合的模式的波数差异。因此，任何所需的模式都可以转换为可以以特别低损耗和可靠的方式相互分离的场形式。在这种情况下的潜在应用领域优选是在多模光纤或所谓的少模光纤端面的模式分离，以及将相应光信号的输入耦合到光学组件部分的不同光耦合点。为此优选的耦合元件的配置尤其可以通过所谓的“拓扑优化方法”来确定，其中可以数字优化光耦合元件的整个形式，而不是单个几何参数。由此获得的结构化几何形状不符合一般有效的描述，但同样有助于根据本发明的用于光学耦合和模式分离的装置的实施。

关于所提出的装置的进一步细节，参考下面的示例性实施例。

在另一方面，本发明涉及一种制造基于波导的光耦合元件的方法，该光耦合元件配置为在光学组件部分的光耦合点处进行光场的模式选择性分离或叠加。详细来说，该方法的步骤如下：

a)提供至少一个光学组件部分并且将至少一个光学组件部分的至少一个另外的光耦合点定位在自由形状微结构化单元的坐标系中，该自由形状微结构化单元配置为执行自由形状微结构化方法；

b)生成描述微结构化单元的坐标系中基于波导的光耦合元件的三维形式的数据集，其中

-基于波导的光耦合元件具有至少三个光耦合点，

ο至少一个第一光耦合点，其具有分配给第一光耦合点的至少两个不同的引导的本征模，

ο至少一个第二光耦合点，其具有分配给第二光耦合点的至少一个引导的本征模，以及

ο至少一个第三光耦合点，其具有分配给第三光耦合点的至少一个引导的本征模，

-其中，基于波导的光耦合元件配置为高效地双向传输光

ο在分配给第一光耦合点的至少一个第一引导的本征模和分配给第二光耦合点的至少一个引导的本征模之间，以及

ο在分配给第一光耦合点的至少一个第二引导的本征模和分配给第三光耦合点的至少一个引导的本征模之间；

c)通过使用自由形状微结构化方法在至少一个光学组件部分的至少一个另外的光耦合点处产生基于波导的光耦合元件。

步骤a)至c)的实施不需要严格按顺序执行，而是也可以包括在其他并行运行的制造过程中。在这种情况下，步骤a)至c)中的每一个也可以进行多次，并且至少连续的步骤也可以至少部分地并行进行。此外，可以另外进行进一步的步骤，特别是下面列出的步骤d)。特别是，步骤b)中生成的数据集除了用于光场的模式选择性分离或叠加的基于波导的光耦合元件外，还可以包含简单的连接波导或微光学元件，例如透镜或反射镜，其中简单的连接波导或微光学元件的设计同样基于某些光耦合点的位置和方向，并且这些可以与根据步骤c)的基于波导的光耦合元件一起制成。此外，在步骤c)中生成的基于波导的光耦合元件的基本结构可以进行进一步的后续后处理步骤，在步骤范围内，生成的基本结构可以例如局部或全局嵌入光学低折射率包层材料或被提供气相沉积涂层。例如，与步骤c)中使用的方法类似的分配或印刷方法或微结构化方法可用于相应包层材料的局部应用。相应的数据集除了包含用于光场的模式选择性分离或叠加的基于波导的光耦合元件外，还可以包含简单的连接波导或微光学元件，例如透镜或反射镜，其中简单的连接波导或微光学元件的设计同样基于某些光耦合点的位置和方向，并且这些可以与根据步骤c)的基于波导的光耦合元件一起制成。

在本方法的优选配置中，可以进行后续步骤d)，优选在步骤c)之后：

d)将基于波导的光耦合元件作为芯部区域至少局部嵌入与基于光波导的耦合元件邻接的包层区域，芯部区域具有1.3至1.8的折射率，并在芯部区域和包层区域之间具有0.05至0.7的折射率差。

该装置优选地通过使用为此配置的微结构化方法在原位制造，即直接在目标位置处制造。在这种情况下，所使用的术语“微结构化方法”涉及减材或增材制造方法，由此可以产生三维结构，优选自由形状结构，其尺寸取决于所述结构在微米范围和/或毫米范围的工作波长。为产生自由形状结构而配置的微结构化方法在下文中称为“自由形状微结构化方法”。“自由形状”或“自由形状结构”被理解为表示在至少局部地可以具有带有任何期望曲率(与分辨率和精度有关的技术限制范围内)的表面的结构。因此，自由形状结构特别不同于可以通过常规平面微结构化方法在平面半导体衬底上产生的结构几何形状，常规平面微结构化方法例如通过薄膜沉积方法、二维光刻方法(如投影光刻和蚀刻工艺)的组合。通常，这些常规平面微结构化方法的组合导致棱柱状三维结构几何形状，其中根据各自的蚀刻工艺或沉积工艺，每个具有基本平行于衬底表面的顶面和底面，就其形状而言，所述底面和顶面相同或非常相似，并且通过相对于衬底表面垂直、倾斜或向内或向外拱形的侧壁相互连接。在这种情况下，基面和顶面的形式基本上由用于局部蚀刻或沉积的掩模指定，所述掩模通常是光刻结构化的。由多个棱柱状局部结构组成的多层结构可以通过不同掩模的多次重复蚀刻或沉积工艺来构建；与重复相关的额外费用是巨大的，并且获得的结构质量在很多情况下还受到叠加精度的限制，因此在实践中层数通常被限制在几层，例如三层。这导致对使用传统微结构化方法以合理的费用产生的结构的几何限制，并因此导致对由此形成的部件的功能限制。与多层结构相关的附加费用在许多情况下非常高，并且使相关光学元件的产生过程更加复杂，特别是如果相关的附加层也不能用于芯片上存在的其他元件部分。

与此相反，通过自由形状微结构化方法产生的自由形状结构不受这些限制，或者不受这些相同程度的限制，因为它们的结构几何形状不限于相对较少数量的平面、棱柱状局部结构的组合。这尤其使得可以产生具有非平面结构的基于波导的光耦合元件，在这种情况下，形成耦合元件的波导的中心线不必位于共同平面或相互平行的平面中。在这种情况下应该注意到，在许多情况下，自由形状的结构也是由多个单独的层产生的，例如通过在3D打印范围内使用多层材料应用或通过固化不同层3D光刻方法的情况。然而，在合理的产生成本范围内，自由形状的微结构化方法允许选择的层数如此之大，以至于这产生了自由形状结构的良好近似，并且离散成单个层不再出现可产生结构几何形状的任何实际功能相关限制。

在这种情况下，基于波导的光耦合元件优选由至少6层、特别优选至少10层、特别是至少20或30层构成。在这种情况下，层的厚度优选在10nm和1000nm之间的范围内，特别优选在30nm和500nm之间，特别是在50nm和300nm之间。为此使用的自由形状微结构化方法允许以优选优于1000nm、特别优选优于500nm、尤其优于100nm的精度产生自由形状结构。自由形状微结构化方法的分辨率优选优于3μm，特别优选优于1μm，特别是优于500nm。在这种情况下，列出的值在每种情况下都与自由形状结构的产生有关，这些结构提供被用于大约1.5μm的真空工作波长；自由形状结构的尺寸以及因此对用于产生目的的自由形状微结构化方法的精度和分辨率的要求可以针对其他工作波长进行缩放，特别是考虑到所用材料的折射率。

与此相反，WO 92/00185A1公开了基于波导的光学装置，其中光结构化材料的折射率的局部增加完全通过光刻照射获得。与本申请相比，WO 92/00185A1中描述的方法没有特别提供显影步骤，在该显影步骤的范围内，未曝光区域被选择性地去除并由低折射率包层材料代替。因此，可实现的折射率差通常被限制在低于0.025的值，这使得紧凑的偏振敏感结构的产生变得更加困难。特别地，根据WO 92/00185A1，包括两个重叠的部分波导的基于波导的偏振分束器的产生似乎是不可实现的；由于较小的指数对比度，部分波导的两个正交偏振本征模实际上具有相同的有效折射率，并因此以相等的强度被引导。因此，如果保持实际可实现的组件部分长度，则通过使部分波导分叉来分离正交偏振本征模式似乎是不可能的。

在优选的配置中，自由形状微结构化方法和/或促进这种方法的自由形状微结构化单元可以基于光刻方法，特别使用立体光刻法或直接书写光刻法，优选三维直接书写光刻法。在这种情况下，可以使用增材制造或减材制造方法，术语“增材制造方法”表示将材料连续施加到结构上或结构上的产生方法，而术语“减材制造方法”描述了从结构中移除材料的替代产生方法。在优选实施例中，材料施加或材料烧蚀可以通过使用合适的光刻胶，特别是负性或正性抗蚀剂的光刻方法来实现。在这种情况下，允许快速成形的空间光调制器可以优选配置用于立体光刻法。在优选的配置中，多光子光刻方法，特别是通过使用脉冲激光源，可以用作直接写入光刻方法。在这种情况下，可以使用光脉冲，其脉冲持续时间优选不超过10ps、优选不超过1ps、特别优选不超过200fs、特别是不超过100fs，在重复率优选至少1MHz、优选10MHz、特别优选至少25MHz、特别是至少100MHz的情况下。适合于此目的的激光源尤其是选自基于光纤的飞秒激光器或脉冲固态激光器如钛：蓝宝石激光器或二极管激光器，其可与频率转换单元组合，例如用于倍频，用于和频生成或差频生成的频率转换单元。根据所使用的光刻方法，可以优先使用近红外、可见光或紫外光谱范围内或极紫外(EUV)辐射范围内或X射线波长范围内的波长。在特别优选的实施例中使用从150nm到1700nm，特别是从300nm到1100nm的波长。在脉冲激光器中，可以通过适当的脉冲持续时间和脉冲能量选择以靶向方式实现二光子，三光子或多光子吸收效应。发射波长为360nm至550nm，即例如大约365nm、385nm、405nm、550nm和532nm的二极管激光器适用于使用基于单光子的连续波激光器的光刻方法吸收。为了提高光刻方法的分辨率，“受激发射减损技术”(STED)可以与合适的光引发剂一起使用，以相应的显微镜方法的方式。此外，可以想到用于制造基于波导的光耦合元件的其他微结构化方法，特别是可以基于材料挤出、粉末床熔合、材料喷射、粘合剂喷射、选择性激光烧结或电子束熔化的方法。例如，金属印刷或激光沉积焊接等方法可用于制造微米和毫米波长范围内的中空波导。取决于分别采用的微结构化方法，基于波导的光耦合元件可以包括聚合物，优选地可光学增材或减材结构化的丙烯酸酯、环氧树脂或含氟聚合物、金属或金属涂覆的电介质。在优选的配置中，基于波导的耦合元件可以包括与光学组件部分的材料不同的材料。为了产生这些结构，进行进一步的后处理步骤可能是有利的，在这些后处理步骤的范围内，所产生的结构可以局部或整体嵌入光学低折射率包层材料中，或者可以被提供气相沉积涂层。

自由形状的微结构化方法的使用尤其可以产生具有对称或几乎对称几何形状的结构，这对于两种分离模式优选可能具有非常相似的损耗。在本文中，“几乎对称的结构几何形状”应理解为具有对称平面、对称轴或对称点的三维形式，其中完美对称可能会因调整结构几何形状而受到轻微削弱，对结构几何形状的调整特别地用于将基于波导的光耦合元件耦合到分配给待连接的至少一个光耦合元件的至少一个光耦合点的位置和方向，如下所述。两个分离模式的功率损耗差优选小于3dB，特别优选小于2dB，特别是小于1dB或0.5dB。

一般而言，当根据本发明的装置用作偏振分束器时，可以在输出耦合点处实现优选优于6dB、特别优选优于10dB、尤其优于15dB或20dB的消光比。在这种情况下，“消光比”被理解为表示输出耦合点处所需模式中的发光功率与相应不想要模式中的发光功率的商，该商通常以通过对数转换的分贝(dB)表示。在这种情况下，结构的相对光带宽可以优选地大于1％，特别优选地大于5％，尤其是大于10％或20％。在这里，“相对光带宽”被理解为频率范围宽度(在频率范围内，光学组件部分在其上达到了所需的功率标志)与相应的中频段之比。

所提出的装置的另一优点在于，优选地在附加连接波导的帮助下，在原位的产生允许所述装置以非常低的损耗耦合到一个或多个光学组件部分的一个或多个光耦合点，而无需在复杂的调整方法中高精度地对准光学组件。为此，从已经固定的光学组件部分出发，属于这些光学组件部分的光耦合点的空间位置和方向可以在制造方法的第一步骤中获得，并且可以在设计光学耦合时加以考虑元件和优选存在的附加结构，例如连接波导。这允许通过对要求保护的装置的形式的相应调整来补偿光学组件定位中的误差，该调整借助于光耦合元件的设计和可选地存在的附加结构，光耦合元件的设计和可选地存在的附加结构被选择为使得光在基于波导的光耦合元件的光耦合点和/或在相邻的附加结构(例如连接波导)的指定光耦合点处可用或接收，并且具有必要的位置和传播方向，因此实现了与光学组件的光耦合点和/或与由光耦合点定义的波导模式的耦合的高效率。

通过将基于波导的光耦合元件调整到要连接的光学组件的光耦合点的位置和方向，可以补偿要连接的光学组件部分的定位误差，从而可以提供这些组件部分的高度地精确对齐。为了使基于波导的光耦合元件适应要连接的光学组件的光耦合点的位置和方向，优选地可以改变光耦合元件的几何参数，特别是将在下面描述的第一波导横截面的长度，和/或部分波导的精确轨迹。作为替代或附加，实际上具有任何期望的3D几何形状的附加连接波导或光束成形元件可以连接到光耦合元件和/或要连接的光学组件的选定光耦合点，所述附加的连接波导或光束成形元件能够与光耦合元件一起制造而无需通过自由形状微结构化方法的大量额外支出，并且允许对要连接的光学组件部分的定位误差进行补偿。

在优选的配置中，自由形状微结构化方法可以配置为，优选地在共同产生步骤的范围内，除了基于波导的耦合元件之外还产生所谓的“光子引线键合”，例如US 8903 205B2或WO 2018/083191 A1中所公开的。其他方法，例如三维印刷工艺，同样是可以想到的，特别是如果打算产生用于在微米和毫米波长范围内的频率下工作的相对较大的结构。

关于与本方法有关的进一步细节，参考装置的描述和示例性实施例。

附图说明

本发明的进一步细节和特征从优选示例性实施例的以下描述中显而易见，特别是结合从属权利要求。这里，各个特征可以单独实现，或者它们的多个可以组合在一起实现。本发明不限于示例性实施例。示例性实施例在以下图中示意性地示出。附图中相同的附图标记指代相同或功能相同的元件或在其功能方面彼此对应的元件。具体地：

图1至图11中的每副示出了根据本发明的用于光耦合和用于光场的模式选择性分离或叠加的装置的优选示例性实施例的示意图；

图12至14中的每副示出了装置的示意图，该装置对应于具有四个光耦合点的偏振分束器的基于波导的模拟，并且可以通过多芯光纤的端面上自由形状微结构化方法产生该装置；

图15是一种无源光波导结构示意图，它属于光偏振复用外差接收器，可以采用自由微结构化方法在七芯光纤的端面上制作；

图16示出了偏振分析器结构的示意图，该偏振分析器结构可以通过自由形状微结构化方法在单模光纤的端面上产生；

图17示出了反射偏振交换器的示意图，其以类似于法拉第旋转镜的方式交换例如以光纤的两个相互正交偏振基本模式(所谓的LP01模式)存在的信号分量，并且将所述信号分量以相反的偏振方向耦合回光纤；

图18和19分别显示了根据本发明的装置的应用的示意图，其形式为偏振敏感的图像传感器；

图20显示了多个基于波导的光耦合元件的级联的示意图，这些光耦合元件可以通过使用自由形状微结构化方法一起产生；

图21和图22各自显示一种装置的示意图，其中基于波导的光耦合元件通过一个光耦合点连接到单模光纤，而其他光耦合点通过附加结构进行机械稳定；和

图23示出了使用根据本发明的装置作为偏振滤光器的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于光耦合和用于光场的模式选择性分离或叠加的装置的优选示例性实施例的示意图。为了阐明偏振分束器或偏振合束器的功能，示例性实施例示出了根据本发明的装置，其包括基于波导的光耦合元件10，该光耦合元件10连接到具有第一光耦合点100的光学组件400。在随后的图示中，从用作输入耦合点的第一光耦合点100到用作输出耦合点的第二光耦合点370和第三光耦合点380实现光的传播，以便因此有助于将基于波导的光耦合元件10用作偏振分束器。在这种情况下，“输入耦合点”和“输出耦合点”之间的区别仅用于对装置的更简单描述，不应解释为对部件功能的限制。更确切地说，光线路径可以颠倒，因此“输入”和“输出”的角色之间存在互换，并且使得使用该装置作为偏振合束器成为可能。

在所示实施例中，图1中示意性表示的基于波导的光耦合元件10包括第一波导部分200，其具有第一波导横截面110和第一光耦合点100，第一光耦合点100在偏振分束器的情况下用作输入耦合点。存在于第一光耦合点100处的第一波导横截面110具有两个相互正交的、可能简并的本征模式120、130，它们被分配给第一光耦合点100并且它们各自具有电模场，电模场例如具有电场矢量的支配性、线性的偏振横向分量，并且它们的强度分布140、150可能非常相似并且具有显着的重叠。对于在两个相互正交的模场中占主导地位的横向偏振分量，横向分量的相关横向电场矢量基本上彼此垂直；那么在一个很好的近似下，模场的分离就等同于相关线性偏振的分离。

图1中示意性表示的基于波导的光耦合元件10还包括第二分支波导部分300，其邻接第一波导部分200并且包括两个空间相交的部分波导330、340，当单独考虑时，部分波导330、340中的每个具有至少两个具有不同偏振方向和非常不同的有效折射率的本征模式，因此波导模式之间的耦合在传播过程中仅非常微弱。原则上，同一波导的具有非常不同的有效折射率的模式也称为“强解耦模式”。在这种情况下，两种模式的有效折射率差优选大于0.005，特别优选大于0.05，非常特别优选大于0.1。也可以想到在至少一个部分波导330、340中的每一个中存在通常沿波导横截面的较长范围偏振的仅一个引导的本征模的实施例。部分波导330、340用相关的横截面350、360限定两个另外的光耦合点370、380。在偏振分束器的情况下，两个另外的光耦合点370、380用作输出，也就是说，分配给第一波导横截面110的第一光耦合点100作为输入的两个正交的第一本征模120、130各自分配给相应波导模式的两个部分波导330、340作为输出波导，而作为输出波导的相应部分波导330、340的相应其他波导模式除了不期望的串扰外不会激活。

图1中勾画出的装置的功能尤其基于以下事实：在第一波导部分200中，第一波导横截面110被连续地转换为包括交叉叠加的两个波导部分230、240的波导横截面210，其中第二波导横截面230、240各自具有带有非常不同的有效折射率的另外的本征模式250、260；270、280。第一波导横截面110到第二波导横截面210的这种连续转换可以在该过程中优选地设计成使得基于波导的光耦合元件10的横截面沿着光的传播方向连续变形。第一波导区域200优选地具有0.1λ到30λ，特别优选地从0.2λ到15λ，尤其是从0.2λ到10λ的长度，而基于波导的光耦合元件10的整个长度，沿其最大程度的测量，优选小于50λ，特别优选小于25λ，特别是小于10λ，其中λ表示所用光的真空波长，假设所用材料的折射率约为1.5。

就形式和尺寸而言，波导横截面230、240适合于部分波导330、340的横截面，后者在第一波导部分200和第二波导部分300之间的界面处具有该横截面。与图1中所描绘的不同，波导横截面230、240不必与部分波导330、340在界面(包含第一波导部分200和第二波导部分300之间的波导横截面210)处的的横截面完全相同。相反，以使得在第一波导部分200和第二波导部分300之间存在最佳可能的光学耦合的方式，使横截面相互适配就足够了。此外，在图1中示意性地描绘为矩形的各种部分波导的横截面应被理解为示例性的；本领域的技术人员还可以考虑使用其他形式，例如椭圆形式，椭圆形式在某些情况下可能会发现其在制造不准确性方面更加稳定。

如在图1中进一步示意性示出的，部分波导330、340的最初叠加的波导横截面230、240被制成连续地分叉至第二波导部分300内的空间上不相交的输出波导横截面350、360。在这种情况下，分叉可以以这样一种方式实现，即结构横截面在轴向方向上的变化足够缓慢，以便于模场的绝热转变，因此便于尽可能无干扰以及低损失的空间分离。在这种分离中，可以利用以下情况：两个部分波导330、340的强引导模式跟随各自部分波导的轨迹，并且在此过程中几乎不与弱引导模式耦合并且也不发射到任何值得注意的程度。这使得将存在于作为输入的第一光耦合点100的两个第一正交本征模式120、130中的光信号转变为波导横截面210的平面中的第一模场120a、130a成为可能，然后在低损耗和低串扰的情况下，第一模场120a、130a被分配到被视为输出的两个另外的光耦合点370、380的相应基本模式。

在部分波导330、340的初始横截面230、240为矩形的情况下，如图1所示，这样的实施例尤为推荐，强引导基本模式的有效折射率n_e1在每种情况下大于弱引导基本模式的有效折射率n_e2，优选地超出0.005，特别优选地超出0.05，尤其是超出0.1，其中强引导基本模式沿矩形横截面230、240的长边偏振，弱引导基本模式沿矩形横截面轮廓的较短边偏振。举例来说，这可以通过以下事实实现：将高度细长的横截面，例如具有大纵横比的椭圆形或矩形横截面用于部分波导330、340。由平面图表示的波导横截面的“纵横比”在这种情况下被理解为表示该图的在相互正交的方向上测量的两个范围的最大可能比。纵横比在矩形横截面图的情况下相当于侧边之比，在椭圆形横截面图的情况下相当于半轴的比例。取决于分别选择的波导材料，部分波导330、340的横截面的纵横比至少在限定的部分中优选地大于1.5，特别优选地大于2.5，尤其是大于3.5或4.5。此外，基于波导的光耦合元件10的高折射率芯部区域和低折射率包层区域之间存在巨大的折射率差有利于电介质波导，从而获得强引导模式和弱引导模式之间巨大的有效折射率差。

对于基于波导的光耦合元件10，其芯部区域优选通过聚合物材料的光刻形成而产生，芯部区域中的折射率优选在1.2和2之间，特别优选在1.3和1.8之间，特别是在1.4和1.7之间。包层区域的折射率优选为在1.0和1.5之间，特别优选为在1.0和1.45之间。因此，芯部区域和包层区域之间的折射率差优选在0.05和0.7之间，特别优选在0.1和0.7之间，特别是在0.15和0.6之间。必要时，可以通过使用合适的覆盖材料或包层材料500来设置折射率差，基于波导的光耦合元件的芯部区域完全或部分嵌入其中，其中，在随后的方法步骤中，覆盖材料或包层材料500优选地能够局部或全局地施加在通过使用自由形状微结构化方法制造的基于波导的光耦合元件10的芯部区域上。在基于聚合物的芯部区域的情况下，尤其可以是氟化的或者可以具有基于聚硅氧烷的组分的低折射率聚合物优选地使其自身用作包层材料500。至少局部地围绕波导芯部的包层材料500的折射率优选为1.2至1.5，特别是1.3至1.45。

因此，在这种装置中，光能够经由称为“输入面”的第一波导横截面110耦合到光耦合元件10中，并且同样能够经由称为“输出面”的波导横截面350、360耦合离开基于波导的光耦合元件10；在这种情况下，基于波导的光耦合元件10用作偏振分束器。该光路也可以颠倒，从而输入面和输出面的角色相应地互换。结果，基于波导的光耦合元件10也可以用于组合两个光信号，这两个光信号各自耦合到另外两个空间分离的光耦合点370、380的各自的本征模式中，并且它们被转移到第一光耦合点100的相互正交的本征模式。结果，基于波导的光耦合元件10也可以用作偏振光合束器。

使用基于波导的光耦合元件10，可以在空间上分离分配给第一光耦合点100的两个空间重叠的本征模式120、130，这些本征模式存在于第一光耦合点100并且它们相互正交或虚拟正交，并且可选地使所述本征模经受分配给第二光耦合点370和第三光耦合点380的本征模260、280的进一步操纵。作为这种分离和可选的进一步操纵的结果，优选地可以通过使用为此配置的方法(特别是相干检测方法)来确定分配给第一光耦合点100的本征模120、130中最初存在的功率和/或幅度和相位，并且由此可以确定相关的偏振状态。为此，分配给第一光耦合点100的最初分离的本征模120、130可以优选地相互干涉和/或与额外的参考场干涉。此外，分配给第二光耦合点370和第三光耦合点380的空间分离的本征模260、280也可以优选地被操纵，使得每个模式配置为激发组件部分或波导430、440的本征模，组件部分或波导430、440经由配置作为输出耦合点的另外两个光耦合点370、380而邻接基于波导的光耦合元件10。对于在输入侧连接到第一光耦合点100的组件部分400，因此可以分裂分配给第一光耦合点100的光学组件部分400的相关的简并或非简并本征模120、130，并因此将它们耦合到连接到基于波导的光耦合元件10的输出耦合点的两个集成光学组件部分或波导430、440中，使得光从来自体现为波导的光学组件部分400的相应本征模转换成集成光波导之一在每种情况下的本征模。

图1中以示例性方式描绘的装置可以以多种方式进行修改。因此，在图1中，部分波导330、340的基本矩形的横截面沿传播方向被保持并且仅相对于横向位置和方向进行调整。在替代实施例中，还可以沿传播方向改变横截面的形状和/或尺寸，特别是连续地将矩形形状转换成任何其他形状，特别是正方形、椭圆形或圆形。进一步的实施例是可以想象的。特别地，该形式可以适应于要被连接的光学组件部分430、440的光耦合点370、380的横截面和模场分布，以便因此获得有效的耦合。因此，除了模式的分离之外，根据本发明的装置还可以在至少两个光学组件部分之间获得低损耗连接，至少两个光学组件部分的光耦合点的特征在于具有非常不同的尺寸或位置的模场。

此外，如图2中示例性方式所示，图1中描绘的装置的进一步实施例是可能的，其中在图1中描绘为可清楚区分的波导部分200、300无缝地合并到彼此中而没有清晰的几何界限，或者波导部分200、300全部或部分统一。用于偏振光束分裂或偏振光束组合的基于波导的光耦合元件10的功能特别基于以下事实：基于波导的光耦合元件10包括至少两个部分波导330、340，其在第一区域600中非常靠近在一起或空间重叠的(如图2中的附图标记301所示)，并且当视为彼此分离时，其至少部分地具有有效折射率非常不同的本征模，而至少两个部分波导330、340在第二区域610中在空间上是不相交的(如图2中的附图标记302a、302b所示)。在这种情况下，第一区域600中的术语“非常靠近在一起的部分波导”意味着在两个部分波导330、340中引导的本征模至少在区域上重叠并且因此能够彼此相互作用。

在图1和2中描绘的装置中，两个模场120a、130a仅通过部分波导330、340在空间上分叉，而偏振方向没有变化。相比之下，在其他情况下，希望改变分叉的模场的偏振方向，例如为了将它们转换成集成光波导的两个TE模式。相应的装置是以下示例性实施例中的一些的主题；例如，见图3、8、9或10。

此外，根据本发明的装置还可以用于分离任何期望的模式，特别是具有相同偏振但不同场分布的两个模式。在该实施例中，基于波导的光耦合元件10的形式被相应地修改，如上所述。在这种情况下，例如可以以类似于上述分离具有不同偏振方向的模式的方式来利用以下事实：要分离的模式在适当形成的波导中以不同强度引导，并且可以最终通过使波导在几何上分叉来实现分离。此外，可以设想这样的实施方式，其中利用了将要被分离至平行运行的波导的模式的不同的强耦合(以类似于所谓的定向耦合器的方式)。另一个选择在于通过在轴向方向上对波导横截面进行周期性调制来有针对性地转换模式，该调制的基本波数对应于要耦合的模式的波数差异。因此，任何所需的模式都可以转换为可以以特别低的损耗并且特别可靠地相互分离的场形式——例如借助上述概念。举例来说，在这种情况下的潜在应用领域是在多模光纤或所谓的少模(Few-Mode)光纤端面的模式分离，以及将相应光信号的输入耦合到光学组件部分的不同光耦合点。与这种对象对应的耦合元件的配置尤其可以通过所谓的拓扑优化方法来确定，其中不是单个几何参数而是耦合结构的整个形式被数值优化。由此获得的结构化几何形状避开了一般有效的描述，但同样有助于实现根据本发明的用于光学耦合和模式分离的装置。

在特定实施例中，基于波导的光耦合元件10连接到多个光学组件400、430、440。为了使基于波导的光耦合元件10的形状适应这些组件的定位误差，非常精确地获取相关联的另外的光耦合点410、470、480在用于产生光耦合元件的自由形状微结构单元的坐标系40中的位置和方向是有利的。为此，可以优选使用在图1中示意性地示出的调整标记411、412、471、472、481、482，或者要被连接的光耦合点400、430、440上的替代结构元件(未示出)，其中非常准确地知道调整标记或结构元件相对于另外的光耦合点410、470、480的位置。调整标记411、412、471、472、481、482或替代结构元件优选地可以通过成像方法检测，特别是通过基于照相机的方法检测，该方法优选地允许调整标记411、412、471、472、481、482或替代结构元件在三维空间的定位。在此过程中，优选也可以使用共焦成像方法。在这种情况下，尤其可以将自由形状微结构化单元的光束路径的一部分用于调整标记411、412、471、472、481、482的检测和基于波导的待产生的光耦合元件10的曝光。调整标记411、412、471、472、481、482或替代结构元件的检测可以以尽可能高的精度实现，其中偏差优选小于500nm，特别优选小于200nm，尤其是小于100nm或50nm。通过自由形状微结构化方法制成的基于波导的光耦合元件10以及待连接的光耦合点400、430、440上的另外的光耦合点410、470、480的定位精度优选地优于500nm，特别优选优于200nm，尤其优于100nm或50nm。这些值与根据本发明的装置和结构的产生有关，它们被提供用于大约1.5μm的真空工作波长。

在图3示出的实施例中，光学组件部分400配置为具有旋转对称折射率截面的单模光纤，其具有两个简并或几乎简并的近似线性偏振波导模式(例如，所谓的LP01模式)。在这种情况下，术语“简并或几乎简并模式”描述了具有非常相似的有效折射率的波导模式，其差异通常小于0.001。在标准单模光纤的情况下，两种不同偏振的基本模式具有非常相似的强度分布；也就是说，空间强度分布的归一化重叠积分接近1，优选大于0.9或0.95。基于波导的光耦合元件10允许分离分配给第一光耦合点100的两个第一本征模式120、130或者分离两个本征模式120、130的相互正交的线性组合，也就是说，光学组件部分400的第一本征模式120或本征模式120、130的第一线性组合被转换成第一集成光学组件部分430的本征模式260，例如所谓的TE模式，在图8中由附图标记71a表示，而组件部分400的第二本征模式130或本征模式120、130的第二线性组合被转换成第二集成光学组件440的本征模式280，例如再次称为所谓的TE模式，在图8中由附图标记71b表示。输出波导430、440的第二模式，例如表示为“TM”，在该实施例中除了不想要的串扰外不被激发。

如图3所示，这可以优选地通过部分波导330、340的连续扭曲来实现。在图8、9和10中可以找到更多示例。这种结构也可以通过多种方式进行调整。因此，优选地可以让波导的扭曲已经在基于波导的光耦合元件10的第一区域600中开始，在第一区域600中波导还没有被分开。此外，可以设想基于波导的光耦合元件10的其他结构几何形状，其优选地可以通过数值参数或拓扑优化方法确定。

如图4中以示例性方式描绘的，在光学组件部分400的光耦合点410或者在至少一个光学组件部分400、430、440的至少两个另外的光耦合点410、470、480之间，基于波导的光耦合元件10可以通过三维自由形状微结构化方法在原位制成，并且在这种情况下所述基于波导的光耦合元件可以在位置、形式和尺寸方面调整到至少一个光学组件部分400、430、440的至少两个另外的光耦合点410、470、480的位置和方向。鉴于快速和高产量的制造，对于基于波导的光耦合元件10，优选尽可能简单并且具有尽可能小的体积的形式。例如，具有很少结构细节或拓扑结构的简单连续区域(在三维空间中具有尽可能少的所谓“孔”)在形式方面是有利的。同样适用于光场分离的光栅通常具有这样的问题，即它们导致非常精细的结构，对精度有很高的要求，这需要复杂的形成步骤。可以通过利用光耦合元件的至少部分存在的波导特性来产生小体积。在这种情况下，通过自由形状微结构化方法产生的基于波导的光耦合元件10的体积优选地小于1000μm³，特别优选地小于500μm³，特别是小于250μm³或150μm³，可选地加上可选的连接波导或其他机械或光学附加结构。这些值涉及被提供用于大约1.5μm的真空工作波长并且包括具有大约1.5的折射率的材料的基于波导的光耦合元件10。对于其他工作波长，基于光波导的耦合元件10的体积可以在考虑所用材料的相应折射率的同时，与工作波长的三次方成比例地缩放。

上面使用的制造方面的术语“在光耦合点处”描述了在基于波导的光耦合元件10和分配给光学组件部分400的另外的光耦合点410之间促进光学耦合的实施例。为此，如图1示意性所示，在第一光耦合点100的区域中，光学组件部分400和基于波导的光耦合元件10之间可以优选地直接物理接触。或者，如图4和图5所示，可以通过另外的结构在基于波导的光耦合元件10和分配给光学组件部分400的另外的光耦合点410之间进行光传输，另外的结构特别优选地配置为连接波导160、170。连接波导160、170可以优选地通过自由形状的微结构化方法在原位制成，即直接在可能特别与第一光耦合点100相关的目标位置处，优选地与基于波导的光耦合元件一起产生，从而有利地促进光学元件相对于彼此和相对于基于波导的光耦合元件10的非常精确的对准。

图4以示例性方式示出了一种装置，其中将S形波导段作为连接波导160插入在光学组件部分400(配置为光纤、特别是单根光纤)的另一耦合点410与基于波导的光耦合元件10的第一光耦合点100之间，由此可以实现基于波导的光耦合元件10相对于牢固组装的组件部分400的平移和/或旋转。这使得基于波导的光耦合元件10的位置相对于分配给另外的安全组装光学组件部分430的第二另外的光耦合点470的位置和/或方向的调整成为可能，即使部件400、430的相对位置受到制造公差产生的不可避免的变化的影响。除了图4所示的实施例之外，还可以将波导段(未示出)插入到光学组件部分430的第二另外的光耦合点470和基于波导的光耦合元件10的相关联的光耦合点370之间，该波导段可以用于进一步增加关于基于波导的光耦合元件10的定位的自由度。

作为替代或附加，附加的连接波导160、170还可用于使存在于光学组件部分400的另一光耦合点410处的模场适应于基于波导的光耦合元件10的分配的第一光耦合点100。如图5中示例性方式所示，附加的连接波导170可以设计为锥形。在这种情况下，术语“锥形”表示在一个方向上具有锥形的波导段。在这种情况下，可以设计锥形，使得存在尽可能低损耗的空间模式分布的绝热适应，也就是说，第一模式分布的功率的主要分量被转换至第二模式分布，并且既不发射也不吸收。这里，用于模场适配的附加连接波导170也可以至少部分地具有多模配置，即使与其连接的光学组件部分400和基于波导的光耦合元件10都具有单模光耦合点。该实施例可以发生在连接至光纤的锥形连接波导170的情况下，由于所选择的包层材料，所述连接波导具有比光纤更大的折射率，但其初始直径适应于光纤的折射率。在该实施例中通过合适的设计可以实现的是，特别是通过避免在多模段中激发更高的模式，有效的耦合仍然是可能的。与图4和图5中描绘的装置不同，连接波导160、170和/或包含在光学组件部分400中并分配给光耦合点410的波导可以具有非旋转对称的横截面，例如具有不同偏振的非简并波导模式的矩形或椭圆横截面。在这种情况下，连接波导160、170可以沿着传播方向具有扭曲，由此它能够连续地改变非简并本征模的偏振方向。

当基于波导的光耦合元件10包括至少两个部分波导330、340时，也可能出现多模波导，这些部分波导330、340包含以高纵横比为特征的横截面，优选地为了实现有效折射率的大差异并由此实现两个不同偏振基本模式的强解耦。在该过程中，除了属于强引导基本模式的偏振的基本模式之外，可能出现更高模式能够传播的情况。在这种情况下，可以通过部分波导330、340的适当成形来完全避免这些较高模式的激发。如图6中示意性地描绘的，循着分叉的部分波导330、340以及伴随于此的强引导基本模式的空间分离，这尤其可以通过使用合适的锥体331、341将多模部分波导330、340的非常细长的横截面350、360转换回单模横截面355、365。

或者，可以有意识地接受更高模式的激发，并且可以提供适当形状的锥体331、341，锥体331、341有助于将干扰模场引导回适合后续波导的基本模式的限定良好的、非常局部化的输出场。为了在根据图7的示例性实施例中配置锥体331、341，锥体端面355、365的质心371、381的相应侧向偏移372、382配置为相关于相应输入表面350、360的质心351、361，这优选地可以在数值上优化。

图6和7中所示的锥体331、341应当被理解为示例性的并且可以以多种方式进行调整。例如，利用波导轨迹的适当曲率或通过应用于波导芯部的鳍状辅助结构，优选地可以获得弱引导模式的显着消光，并因此增加消光比。此外，部分波导330、340可以没有明确几何界限地合并到锥形部分331、341中，或者可以与后者完全结合。此外，可以通过数值参数优化方法或拓扑优化方法设计相应的结构和/或基于图6和图7的几何形状改进所述结构。

将基于波导的光耦合元件10光学耦合到光学组件的各种可能在图8、9和10中以示例性方式示出。因此，例如，可以设想这样的装置，其中基于波导的耦合元件10的第一光耦合点100不与光学组件部分400的另外的光耦合点410直接物理接触，并且其中没有通过附加连接波导160、170的连接。相反，光可以通过光耦合点100、410之间的至少区域均匀的介质传播。这可以有助于为基于波导的光耦合元件10的第一光耦合点100和/或光学组件部分400的另一光耦合点410提供光束成形元件111、413，以便因此促进高效的光耦合，如图9所示。光束成形元件111、413可以优选地与基于波导的光耦合元件10一起通过自由形状的微结构化方法来制造，这特别有利于相对于相关光耦合点100、410的非常精确的对准。

图8示出了一个实施例，其中基于波导的光耦合元件10的两个另外的光耦合点370、380与光学芯片430上的集成光波导71a、71b之间的光耦合通过附加的连接波导830、840、连接波导830、840侧方的锥形结构850、860以及集成光波导71a、71b侧方的锥形结构72a和72b来实现。连接波导830、840和相关联的锥形结构850、860可以在与基于波导的光耦合元件10相同地利用自由形状的微结构方法的步骤中在原位(也就是说在目标位置)产生，并且可以在过程中与光学芯片430上存在的波导结构以高精度对准。

图9和10示出了其中基于波导的光耦合元件10的另外两个光耦合点370、380不与集成光学芯片430的相关光耦合点74a、74b直接物理接触的实施例。相反，在这种情况下，光传播通过在光耦合点之间至少区域均匀的区域，该区域可以没有材料(真空)或者填充有某些气体、液体或固体，特别是用于保护和稳定整个装置的光学透明的覆盖材料。为了提高耦合效率，另外的光束成形元件333、343被附接到端面350、360，所述光束成形元件优选地能够与基于波导的光耦合元件10通过自由形状结构化方法一起产生，并且因此能够与各自的光耦合点非常精确地对齐。

图9示出了一个实施例，其中光束成形元件833、843也附接到光学芯片430一侧的集成光波导71a和71b的小平面73a、73b，光束成形元件833、843以及在基于波导的光耦合元件10的侧面上的光束成形元件333、343增加了组装该装置时的对准容许偏差。此外，为了提高光学组件400的另一光耦合点410与基于波导的耦合元件10的第一光耦合点100之间的耦合效率，可将另一光束成形元件413、111应用于两个光耦合点100、410。作为替代方案，可以将光束成形元件仅连接到相应光耦合点的单侧，如图10所示。

如上所述，自由形状的微结构化方法尤其可以产生具有对称或几乎对称几何形状的结构，这对于两种分离模式可能具有非常相似的损耗。如图11示意性所示，本文中的几何对称结构几何表示包括对称平面11的三维形式，其中完美对称可能会因结构几何的可能调整而受到轻微干扰，这可能是必然的，尤其是用于将基于波导的光耦合元件10耦合到要连接的光耦合元件的光耦合点的位置和方向。

上述实施例应被理解为示例并且绝不反映根据本发明的装置的全部使用领域。因此，基于波导的光耦合元件10尤其还可以与附加的功能性光学元件或这种元件的布置组合，其可以通过使用微结构化方法，优选地自由形状微结构化方法，与相应的基于波导的光耦合元件10一起在原位(也就是说在相应的目标位置)产生，并且因此可以以非常精确的方式连接到和/或对准相应的基于波导的光耦合元件10。功能性光学元件可以优选地进一步包括连接波导、锥体、光功率分配器或光学自由形状元件，特别是反射镜、透镜或其他折射或衍射部件，并且在该过程中可以由另外的辅助结构补充，特别是由进一步的机械支撑结构补充。因此，可以在光纤或集成光波导的小平面上或在诸如相机芯片的光电探测器的扩展阵列上生成例如用于偏振分析的更复杂的功能性光学装置。在图12至23中可以找到这样的示例性实施例。

图12示出了一种装置1000，其对应于具有四个光耦合点的偏振分束器空间的基于波导的模拟，并且可以通过自由形状微结构化方法在多芯光纤720的端面上产生。与单个光耦合元件相比，图12中所示的装置原则上使得可以双向地分离和/或合并各种偏振并且没有功率损失。在这种情况下，多芯光纤720起到至少一个光学组件部分400的作用，多芯光纤720在示图中包括四个光耦合点。所示装置包括布置在四芯光纤720的端面上的四个基于波导的光耦合元件10a、10b、10c、10d，该光耦合元件通过附加的连接波导310a、310b、310c、310d相互连接。在这种情况下，纤维芯可以分别具有圆形横截面。或者，它们也可以配置为具有双重旋转对称横截面的保偏纤维芯——这在图13中基于四根保偏光纤进行了概述。基于波导的光耦合元件10a在波导310a、310d之间分配光纤维芯730a的两个LP01模式(以不同偏振方向为特征)，并且在那里将所述模式耦合到光纤维芯730b、730c的相应LP01模式。类似地，基于波导的光耦合元件10d在波导310b、310c之间分配以不同偏振方向为特征的光纤维芯730d的两个LP01模式，并且在那里将所述模式耦合到光纤维芯730b、730c的分别仍然自由的LP01模式。在该实施例中，基于波导的光耦合元件10a、10d一起用作偏振分束器，而基于波导的光耦合元件10b、10c一起用作偏振合束器。这些角色可以通过颠倒光路径来互换，整个装置可以用作光纤耦合偏振分束器。在这种情况下，额外的锥形结构170a、170b、170c和170d用于有效地耦合到相应的光纤维芯。

图13示出了类似于图12的装置1050，其基于具有相关联的光纤维芯750a、750b、750c、750d的四个单独的保偏光纤740a、740b、740c、740d。此时，单独的光纤740a、740b、740c、740d承担至少一个光学组件部分400的作用。在所描绘的装置1050中，由于附加的应力产生元件760，相关联的光纤横截面具有双重旋转对称性，这对于许多保偏光纤来说是常规的。保偏的独立光纤740a和740d围绕它们的纵轴线旋转90°，以允许通过偏振旋转方面来增强装置的功能，其方式对应于在常规自由光束光学器件中使用额外的半波片。

在基于波导的光耦合元件10a、10b、10c、10d之间延伸的连接波导310a、310b、310c、310d在图12和图13中被描绘为具有矩形横截面的自由形状波导。如图14中描绘的装置1060所示，基于波导的光耦合元件10a、10b、10c、10d之间的光传输可替代地通过使用所谓的回音壁模式来实现。该实施例利用了可以沿着光学高折射率区域的适当尺寸的凸面外轮廓引导光的事实。例如，这允许基于波导的光耦合元件10a、10b、10c、10d之间的光学连接由具有更高机械稳定性的扩展结构元件311a、311b、311c、311d支持。结构元件311a、311b、311c、311d可以附加地紧固到未被引导光接触的区域中的另外的机械支撑结构，而不会对光学传输性能产生负面影响。

图15示出了一种无源光波导结构1100，它属于光偏振复用外差接收器，且可以采用自由微结构化方法在七芯光纤770的端面上制作，在这种情况下，七芯光纤起到至少一个光学组件400的作用。装置1100包括用于偏振分离的两个基于波导的光耦合元件10a、10b，用于将包含在各个偏振中的信号相干叠加的两个多模干涉耦合器20a、20b，以及另外的连接波导320a、320b、320c、320d和锥体170a、170b、170c、170d、170e、170f。为了用作相干光偏振复用接收器，纤维芯770a、770b、770c、770d、770e、770f可以如下连接到外部组件：

-纤维芯770a、770b连接到第一平衡光电探测器；

-纤维芯770d、770e连接到第二平衡光电探测器；

-纤维芯770g未连接；

-纤维芯770c连接到数据信号源，纤维芯770f连接到本地振荡器，反之亦然。

通过连接到数据信号输入的基于波导的光耦合元件10b，数据信号被分解成两个信号分量，它们对应于相关光纤维芯的两个简并的正交偏振本征模LP01。类似地，通过连接到本地振荡器输入的基于波导的光耦合元件10a，本地振荡器信号被分解成两个信号分量，它们对应于相关光纤维芯的两个简并正交偏振本征模LP01。这些数据信号分量和本地振荡信号分量的偏振方向通过波导320a、320b；320c、320d的扭转相互匹配，波导320a、320b；320c、320d邻接光耦合元件并且被多模干涉耦合器20a、20b叠加。叠加信号被提供给平衡光电探测器。偏振多路复用数据信号通过对电信号进行处理(通常是数字处理)而重建，该电信号可以由用作混频器的光电检测器产生。所示分配器结构中可能存在的缺陷可以在此处理范围内得到补偿。

图15所示的装置1100应当被理解为示例性的并且可以以多种方式进行修改。因此，偏振多路复用零差接收器可以通过添加额外的纤维芯和适当增强的信号叠加来提供，最好是通过使用2至4个多模干涉耦合器。此外，连接到本地振荡器的偏振分束器可以由简单的功率分配器代替。该结构不仅可以在多芯光纤的端面上产生，还可以使用一维光纤阵列或二维光纤阵列或其他波导的布置，例如集成光波导。类似于图13所示的实施例，在这种情况下也可以使用保偏光纤。

图16示出了偏振分析器结构1200，该偏振分析器结构1200可以通过使用自由形状微结构化方法在单模光纤的端面上产生，在这种情况下单模光纤承担了至少一个光学组件400的作用。从光纤经由另一光耦合点410耦合到结构中的光最初均匀地分布在四个波导810a、810b、810c、810d之间。在这种情况下，两个以它们的主轴线相对于彼此旋转45°的基于波导的光耦合元件10a、10b连接到波导810a、810b，由此信号分量可以在相关联的彼此倾斜45°的偏振方向上分离。在这种情况下，光耦合元件的主轴线通过由光耦合元件分离的线偏振的偏振方向限定。光学双折射波导30连接到波导810c，选择波导30的长度使得波导810c表现得像四分之一波片，其对准由矩形横截面的方向确定。波导30的双折射是由于其材料特性或其芯横截面形状而发生的，横截面形状例如矩形且非方形，或椭圆形且非圆形。另一个基于波导的光耦合元件10c连接到双折射波导30的输出并且其主轴相对于用作四分之一波片的双折射波导30的主轴扭转45°。波导30的主轴由双折射波导30的相关偏振本征态的偏振方向定义，并且在波导30的矩形或椭圆形横截面的情况下，由横截面矩形的边或横截面椭圆的主轴限定的方向产生。波导810d在一端保持打开并且仅用于功率测量。

如果光从光纤耦合到具有对应于某个偏振状态的两个正交偏振模式LP01的任何期望叠加的结构，这会在输出811d、370a、380a、370b、380b、370c、380c处产生特征功率分布，可以通过使用适当定位的光电探测器来测量所述功率分布。使用这种功率分布，可以唯一地重建耦合到结构中的光的偏振状态；参见，例如K.Kikuchi等人的Multi-levelsignaling in the Stokes space and its application to large-capacity opticalcommunications,Optics Express,Vol.22,No.7,2014，因此可以在结构1200的帮助下结合合适的数据处理和优选的校准来相对成本高效地提供偏振分析仪。在这种情况下，光电二极管阵列(优选图像传感器)可用于功率检测，其无需在绘出的输出的发射方向上进行复杂的调整。或者，各种输出811d、370a、380a、370b、380b、370c、380c可以通过使用额外的波导和/或微光学元件连接到另外的光学组件部分(例如光电探测器或光纤)。

由于使用三个光耦合元件、一个四分之一波片和一个仅用于功率测量的输出811d(如图16所示)，结构的输出处的偏振状态已经过定义。冗余信息可用于检查测量的可靠性。或者，也可以进一步简化结构，例如通过省去仅用于功率测量的输出811d。

图17显示了一种反射偏振交换器，它以类似于法拉第旋转镜的方式使存在于光纤的两个相互正交的偏振基本模式(所谓的LP01模式)中的信号分量互换，它在这种情况下起到光学组件部分400的作用，并且将所述信号分量以相反的偏振方向耦合回光纤中。在基于波导的光耦合元件10的三个光耦合点100、370、380中，第一光耦合点100连接到光纤，而另外两个光耦合点370、380通过扭曲的波导390互连。

图18和19显示了根据本发明的装置的应用，其是偏振敏感的图像传感器1400、1450的形式。在这种情况下，图18中描绘的单独结构包括自由形状的透镜111，由此从外部入射的光112最初可以耦合到基于波导的光耦合元件10中。在两个偏振分离之后，相应的信号分量被传送到两个光电检测器50a、50b(它们连接到基于波导的光耦合元件10的另外两个光耦合点370、380)，并且在那里被转换成通过电线51引导的电信号。光电探测器50a、50b优选地可以是图像传感器的独立的探测器，因此偏振敏感图像传感器可以通过图18中描绘的结构的周期性延续来构造，所述偏振敏感图像传感器能够根据两个偏振的分离，用于检测入射功率的空间分布。

图19示出了结构1400的阵列状重复，由此可以产生偏振敏感图像传感器1450或具有多个像素的偏振敏感相机。

图20示出了多个基于波导的光耦合元件10、10a、10b的级联1500，它们可以通过使用自由形状微结构化方法一起产生。通过使用这种装置，特别是可以提高光耦合点370a、380a、370b、380b处的偏振消光比。

图21示出了一种装置1600，其中基于波导的光耦合元件10连接到单模光纤，在这一点上，单模光纤起到光学组件400的作用，并且其输出通过附加结构60进行机械稳定。在另一个光耦合点410处，从单模光纤耦合到通向基于波导的光耦合元件10的锥体170中的光信号最初被分成两个信号分量，它们对应于相关联的纤维芯的简并正交偏振本征模LP01。作为扭曲波导部分332、342的结果，分离的信号分量然后在它们的偏振方向方面匹配，并且在光耦合点825、826(其具有由锥体815、816调节的模式分布)处进行输出耦合。另外的光耦合点825、826的位置锚定在由柱61a、61b、61c、61d承载的机械支撑结构60的板状部分结构62处。可以自由选择另外的光耦合点825、826的距离和位置。

图22示出了装置1650，其表示来自图21的装置1600的延伸以形成输入光纤400a、400b、400c、400d的阵列80。通过选择相关输出825a、826a；825b、826b；825c、826c；825d、826d的距离，该装置还可以在输出侧连接到光纤阵列或位于芯片上的波导阵列。在该实施例中，装置1650对应于多通道偏振分束器。

以示例性方式，图23示出了装置1700，其中基于波导的光耦合元件10用作偏振滤波器。在示意性装置1700中，要在偏振方面进行滤波的光信号由光学组件部分400发射，在其光耦合点410处，基于波导的光耦合元件10与其第一光耦合点100连接。然后，在第二光耦合点370的引导的本征模之一中可获得关于偏振滤波过的期望信号，同时通过偏振滤波将要被抑制的信号分量提供给连接到第三光耦合点380的终端元件(束流收集器)395。在图23所示的情况下，束流收集器以连续逐渐变细的锥形结构的形式体现，光通过该锥形结构侧向(例如在吸收表面的方向上)发射。可以修改图23中描绘的装置的许多方面。例如，第二光耦合点370和第三光耦合点380的角色可以互换，而完全不改变功能原理。也可以设想这样的配置，其中光从自由空间在第一光耦合点100处耦合进来，而不与那里存在的光学组件部分物理接触，并且其中第三光耦合点370耦合到光学组件部分。可以直接或如上所述通过相应的连接波导或自由光束耦合延伸来实现与光学组件的耦合。

附图标记列表

Claims (18)

1.一种用于光耦合和光场的模式选择性分离或叠加的装置，其包括：

-具有至少三个光耦合点(100、370、380)的基于波导的光耦合元件(10)，基于波导的光耦合元件(10)包括芯部区域和与芯部区域相邻的包层区域，在芯部区域和包层区域之间出现至少0.05的折射率差，基于波导的光耦合元件(10)设计为三维的自由形状结构的形式，自由形状结构大致为由至少六层组成的分层结构，由此

ο至少一个第一光耦合点(100)具有分配给第一光耦合点(100)的至少两个不同的引导的本征模(120、130)，

ο至少一个第二光耦合点(370)具有分配给第二光耦合点(370)的至少一个引导的本征模(260)，以及

ο至少一个第三光耦合点(380)具有分配给第三光耦合点(380)的至少一个引导的本征模(280)，

-至少一个光学组件部分(400)，其具有至少一个另外的光耦合点(410)；

其中基于波导的光耦合元件(10)的光耦合点(100、370、380)中的至少一个光学连接到光学组件部分(400)的至少一个另外的光耦合点(410)，并且

其中，基于波导的光耦合元件(10)配置为高效地双向传输光

ο在分配给第一光耦合点(100)的至少一个第一引导的本征模(120)和分配给第二光耦合点(370)的至少一个引导的本征模(260)之间，并且

ο在分配给第一光耦合点(100)的至少一个第二引导的本征模(130)和分配给第三光耦合点(380)的至少一个引导的本征模(280)之间。

2.根据前述权利要求所述的装置，其中所述第二光耦合点(370)和所述第三光耦合点(380)中的至少一个耦合到另外的光学组件部分(430、440)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述第二光耦合点(370)和所述第三光耦合点(380)在空间上彼此分离，并且其中所述基于波导的光耦合元件(10)配置为将存在于第一光耦合点(100)的光输入场分离成不同偏振的部分场，并在第二光耦合点(370)和第三光耦合点(380)输出包括部分场的耦合光信号，或者其中基于波导的光耦合元件(10)设计成叠加光信号，所述光信号是在第二光耦合点(370)和第三光耦合点(380)处耦合的不同偏振输入的空间重叠的部分场的形式，并且在第一光耦合点(100)处提供所述叠加。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述基于波导的光耦合元件(10)配置为将分配给所述第一光耦合点(100)的至少两个引导的本征模(120、130)分离成不同的偏振并且随后使分离的本征模(120、130)的一个偏振方向旋转，以便于将偏振方向对准分配给第二光耦合点(370)的至少一个引导的本征模(260)和分配给第三光耦合点(380)的至少一个引导的本征模(280)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述基于波导的光耦合元件(10)包括至少两个部分波导，部分波导布置成靠近在一起或在第一区域(600)中以空间相交的方式布置，部分波导，当彼此隔离考虑时，至少部分地具有强解耦的本征模，并且部分波导在第二区域(610)中空间不相交。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述基于波导的光耦合元件(10)包括：

-至少一个第一波导区域(200)，其邻接第一光耦合点(100)并且其中第一波导横截面(110)被连续地转换成包括两个波导横截面(230、240)的叠加的第二波导横截面(220)，两个波导横截面(230、240)分别具有强解耦的本征模(250、260、270、280)，分配给第一光耦合点(100)的至少两个引导的本征模(120、130)彼此正交地布置在第一波导横截面(110)中，或者从第一波导横截面(110)分配给第一光耦合点(100)的至少两个引导的本征模(120、130)的两个相互正交的线性组合被转换成强引导的本征模(260、280)；和

-至少一个第二波导区域(300)，其邻接第一波导区域(200)，并且第二波导区域(300)中最初重叠的波导横截面(230、240)被引导分开成限定第二光耦合点(370)和第三光耦合点(380)的不相交的横截面(330、314)。

7.根据前述权利要求所述的装置，其中将所述第一波导区域(200)中的第一波导横截面(110)转换成第二波导横截面(210)是通过沿着光的传播方向的横截面的连续变形来实现的。

8.根据前述两项权利要求中任一项所述的装置，其中所述波导横截面(230、240)分别形成具有至少1.5的纵横比的简单连接区域。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中

-第一光耦合点(100)直接地或通过另外的波导段或光束成形元件间接地光学耦合到具有低指数差异和简并或几乎简并的正交本征模的波导或者光纤(400)；和/或

-其中第二光耦合点(370)或第三光耦合点(380)直接地或通过另外的波导段或光束成形元件间接地光学耦合到具有高指数差异和强解耦的正交本征模的波导或者基于半导体的集成光波导(71a)或(71b)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一光耦合点(100)

-与光学组件部分(400)的另外的光耦合点(410)直接物理接触；或者

-不与光学组件部分(400)的另外的光耦合点(410)直接物理接触，其中光传播通过第一光耦合点(100)和另外的光耦合点(410)之间的至少区域均匀的介质。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述第一光耦合点(100)配置为接收来自自由空间的光，或者其中所述第一光耦合点(100)包括配置为耦合来自自由空间的光的透镜。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述芯部区域具有1.3至1.8的折射率。

13.前述权利要求中任一项所述的装置的用途，用作：

-偏振滤波片，其包括如前述权利要求中任一项所述的装置和连接到基于波导的光耦合元件(10)的第二光耦合点(370)或第三光耦合点(380)之一的终端元件(395)；

-基于波导的偏振分束器，其具有至少一个连接波导(310a-310d)；

-用于相干偏振复用接收器的无源光波导结构，其结合具有至少一个连接波导(320a-320d)的至少两个基于波导的耦合元件(10a、10b、10c、10d)；

-用于偏振分析仪的无源光波导结构，其结合具有至少一个功率分配器的至少两个基于波导的耦合元件(10a、10b、10c、10d)；

-用于偏振敏感的图像传感器的无源光波导结构，其结合具有至少一个自由形状微光学元件的至少两个基于波导的耦合元件(10a、10b、10c、10d)。

14.一种用于产生基于波导的光耦合元件(10)的方法，所述基于波导的光耦合元件(10)配置为在至少一个光学组件部分(400)的至少一个另外的光耦合点(410)处对光场进行模式选择性分离或叠加，所述方法包括以下步骤：

a)提供至少一个光学组件部分(400)并且将至少一个光学组件部分(400)的至少一个另外的光耦合点(410)定位在自由形状微结构化单元中的坐标系(40)中，自由形状微结构化单元配置为执行自由形状微结构化方法；

b)生成数据集，所述数据集描述微结构化单元的坐标系(40)中基于波导的光耦合元件(10)的三维形状，其中

-基于波导的光耦合元件(10)具有至少三个光耦合点(100、370、380)，

ο至少一个第一光耦合点(100)，其具有分配给第一光耦合点(100)的至少两个不同的引导的本征模(120、130)，

ο至少一个第二光耦合点(370)，其具有分配给第二光耦合点(370)的至少一个引导的本征模(260)，以及

ο至少一个第三光耦合点(380)，其具有分配给第三光耦合点(380)的至少一个引导的本征模(280)，

-其中，基于波导的光耦合元件(10)配置为高效地双向传输光

ο在分配给第一光耦合点(100)的至少一个第一引导的本征模(120)和分配给第二光耦合点(370)的至少一个引导的本征模(260)之间，以及

ο在分配给第一光耦合点(100)的至少一个第二引导的本征模(130)和分配给第三光耦合点(380)的至少一个引导的本征模(280)之间；

c)通过使用自由形状微结构化方法在至少一个光学组件部分(400)的至少一个另外的光耦合点(410)处生成基于波导的光耦合元件(10)；

d)将基于波导的光耦合元件(10)作为芯部区域至少局部地嵌入与基于波导的光耦合元件(10)邻接的包层区域中，在芯部区域和包层区域之间出现至少0.05的折射率差。

15.根据前述权利要求所述的方法，其中所述第二光耦合点(370)和所述第三光耦合点(380)中的至少一个光学耦合到所述至少一个光学组件部分(400)或另外的光学组件部分(430、440)，至少一个光学组件部分(400)或另外的光学组件部分(430、440)的位置在生成数据集时被记录和考虑在步骤b)中。

16.根据前述方法权利要求中任一项所述的方法，其中所述芯部区域具有1.3至1.8的折射率。

17.根据前述方法权利要求中任一项所述的方法，其中所述自由形状微结构化方法用于额外地产生至少一个另外的光学元件，所述另外的光学元件选自连接波导(30、160、170、310a-310d、320a-320d、830、840)、锥形结构(72a、72b、170、170a-170f、331、341、815、816、850、860)、光学耦合器(20a、20b)、光束成形元件(111、411)和机械支撑结构(60)。

18.根据前述方法权利要求中任一项所述的方法，其中所述自由形状微结构化方法是光刻方法，其选自立体光刻，特别是通过使用空间光调制器，以及直写激光光刻，特别是多光子聚合。

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