DE102013223034B4

DE102013223034B4 - Optical coupling device and method of operation therefor

Info

Publication number: DE102013223034B4
Application number: DE102013223034.6A
Authority: DE
Inventors: Marcel Kroh; Matthias Jäger; Danny Volkmann
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: DE102013223034A1; WO2015071317A1

Abstract

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: – Bereitstellen von Referenz-Strahlweitedaten, die Werte einer Strahlweite als Funktion unterschiedlicher Abstandswerte zwischen einer Auskoppelebene der Quelle und einer Einkoppelebene der Senke repräsentieren; – 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; – 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 – Bestimmen des senkrechten Abstandswertes, welcher der eingestellten Abstands-Stellgröße zugeordnet ist, anhand des ermittelten Wertes der Strahlweite und anhand der Referenz-Strahlweitedaten.Method of operating a self-aligning optical coupling device for automatically determining a distance value belonging to a set distance control value between a light beam emitting optical source and an optical sink into which the light beam is to be coupled, comprising: providing reference beam width data, the values of a beam width Represent function of different distance values between a source extraction plane and a sinking plane of the sink; - 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; 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 - determining the perpendicular distance value associated with the adjusted distance manipulated variable based on the detected value of the beamwidth and the reference beamwidth data.

Description

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 Koppelns 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 coupling of, for example, waveguides and fibers, but also 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. 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.

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:

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.

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. 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.

Beide Verfahren haben den Nachteil, dass sie einen erfahrenen Bediener erfordern und eine Genauigkeit von weniger als 10 µm 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.Both methods have the disadvantage that they require an experienced operator and can not achieve an accuracy of less than 10 microns. 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:

– Bereitstellen von Referenz-Strahlweitedaten, die Werte einer Strahlweite als Funktion unterschiedlicher Abstandswerte zwischen einer Auskoppelebene der Quelle und einer Einkoppelebene der Senke repräsentieren;
– 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;
– 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
– Bestimmen des Abstandswertes, welcher dem eingestellten Wert der Abstands-Stellgröße zugeordnet ist, anhand des ermittelten Wertes der Strahlweite und anhand der Referenz-Strahlweitedaten.

In a first aspect, the invention initially provides an operating method of an optical coupling device for automatically determining a distance value between an optical source emitting a light beam and a value corresponding to a set value of a distance manipulated variable, for example an actuator position such as a distance actuator position an optical well into which the light beam is to be coupled, comprising:

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;
- 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;
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
- Determining 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 based on the 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 displaces a holding device, which can be automatically positioned in three axes Coupling device for coupling a light beam capable of determining 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 makes a large number of measurements of the coupled-in light intensity at different positions of the coupling-in plane. 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.

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. However, the described exact calibration and conversion into absolute performances is irrelevant to the method since only the relative progression 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.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.

Als Stellmotoren werden vorzugsweise hoch genaue Motoren, beispielsweise Schrittmotoren oder Piezo-Aktuatoren verwendet. 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 Abstandswerteseinen Prozess zum Aufnehmen der Referenz-Strahlweitedaten in einer selbsttätigen Kalibrierungsprozedur vor Ermittlung des Abstandes. Die Kalibrierungsprozedur enthält folgende Schritte:

– 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;
– 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
– Ermitteln und Zuordnen von Abstandswerten zu den Abstands-Stellmotorpositionen anhand der bestimmten Aufweitungsfunktion und des ermittelten Stellmotor-Abstandsnullpunktes.

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:

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 in the respective pitch actuator position representative size;
Determining an expansion function describing the beam width as a function of the positioning distance between the coupling-in plane and the coupling-out plane on the basis of the beam widths determined using the various positioning distance of the positioning motor using a predetermined mathematical beam model; and
Determining and assigning distance values to the distance actuator positions based on the determined expansion function and the determined actuator distance zero point.

In einer Ausführungsform wird ein einem verschwindenden senkrechten Abstandswert entsprechender Stellmotor-Abstandsnullpunkt anhand der bestimmten Aufweitungsfunktion und des Strahlmodells ermittelt.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 be taken into account, for example, 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 Gaussian beam. For deviant rays, it becomes greater than one. The product of the opening angle and the beam waist is in this case larger by a factor of M². A formula of the Gaussian beam extended by M² is sufficient to define a beam width as a function of the height, even for beams that deviate greatly from the Gaussian beam, even those with multiple maxima. 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. For multimode beam distributions or beam distributions with multiple maxima, a very large lateral area must 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. Below are some possible cases:

a) Consider first the case of coupling in which only the source or only the well 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 separate several modes to be measured and evaluated 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;
– Ermitteln einer dem vorgegebenen Abstandwert zugeordneten Abstands-Stellgröße, insbesondere Abstands-Stellmotorposition, anhand der Referenz-Strahlweitedaten; und
– Ansteuern mindestens eines der Stellmotoren zum Einstellen der ermittelten Abstands-Stellgröße, insbesondere Abstands-Stellmotorposition.

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 adjusting a given vertical distance between an optical source and an optical sink comprising:

- Controlling at least one of the servomotors for setting a predetermined starting 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;
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;
- Determining a the predetermined distance associated distance control variable, in particular distance actuator position, based on the reference beam width data; and
- 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 µm in einem Bereich von 30 µm bis 110 µm Abstand zwischen der optischen Faser und dem Gitterkoppler erzielt. Eine Kopplung zwischen dem Gitterkoppler und der Faser mit einem Höhenfehler von 0,5 µm führt bei einem Abstand von 100 µm 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 µm.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 has been achieved in prototypes of a self-aligning optical coupling device described in more detail below an accuracy of the distance setting of 0.5 microns in a range of 30 microns to 110 microns distance between the optical fiber and the grating coupler. A coupling between the grating coupler and the fiber with a height error of 0.5 μm results in a deviation of the transmitted power of a maximum of 0.03 dB at a distance of 100 μm, which corresponds to a change of 0.6% of the power. If only the same distance is to be set, the accuracy is even higher, ie for deviations of less than 0.5 μm.

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

– 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;
– 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,
– 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.

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 the set actuator position offset coupling plane to control the holding device to set a variety 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.

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. In this way, the basis for a precise self-positioning in three dimensions is created.

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

– 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;
– 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
– Ermitteln und Zuordnen von Abstandswerten zu den Abstands-Stellmotorpositionen anhand der bestimmten Aufweitungsfunktion und des ermittelten Stellmotor-Abstandsnullpunktes.

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

Adjusting different distance actuator positions between the launch plane and the decoupling 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 distance distance. Actuator position, and determining a respective value of the magnitude representing the beam width at the respective pitch actuator position;
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
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

– 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;
– 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.

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

- 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 decoupled from 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;
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:

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 µm zwischen einem Gitterkoppler als Quelle und einer Einmodenfaser als Senke; 1 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 μm between a grating coupler as a source and a single-mode fiber as a sink;

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 µm zwischen einem Gitterkoppler als Quelle und einer Einmodenfaser als Senke; 2 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 a source and a single-mode fiber as a sink;

3a, b schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen einer optischen Koppelvorrichtung; 3a , b schematic representations of embodiments of an optical coupling device;

4 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer optischen Koppelvorrichtung; 4 a block diagram of an embodiment of an optical coupling device;

5a–c Diagramme mit Beispielen von Referenz-Strahlweitedaten; 5a -C diagrams with examples of reference beamwidth data;

6 ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens einer optischen Koppelvorrichtung zur Ermittlung eines aktuellen Abstandswertes zwischen einer Quelle und einer Senke; 6 an embodiment of an operating method of an optical coupling device for determining a current distance value between a source and a sink;

7 ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens einer optischen Koppelvorrichtung zur Ermittlung von Referenz-Strahlweitedaten; und 7 an embodiment of an operating method of an optical coupling device for determining reference beam width data; and

8 ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsverfahrens einer selbstjustierenden optischen Koppelvorrichtung. 8th An embodiment of an operating method of a self-adjusting optical coupling device.

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 µm zwischen einem Gitterkoppler als Quelle und einer Einmodenfaser als Senke. Zum Vergleich zeigt 2 eine entsprechende Darstellung des Gaußschen Strahls der 1 bei einem Abstand von ca. 100 µm 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 µm erstreckenden Maximums der Intensitätsverteilung bei geringem Abstand zu einem breitem Maximum, das den gesamten erfassten Skalenbereich von 20 µm in x- und y-Richtung überdeckt. 1 shows a measured intensity distribution of coupled light as a function of the lateral position in the xy plane using the example of an approximately Gaussian beam at a distance of about 20 microns between a grating coupler as a source and a single-mode fiber as a sink. For comparison shows 2 a corresponding representation of the Gaussian beam of 1 at a distance of about 100 μm between the grating coupler and the single-mode fiber. The comparison of the two measured intensity distributions clearly shows a widening of an initially relatively narrow maximum of the intensity distribution extending over a range of about 10 μm with a short distance to a broad maximum, which covers the entire 20 μm scale range in the x and y directions 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 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 3a und 3b ist stark vereinfacht und konzentriert sich auf schematische Darstellungen wesentlicher geometrischer Verhältnisse. 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. The 3a and 3b show schematic representations for explaining concepts that are used in the further description of embodiments of the optical coupling device. The representation in the 3a and 3b is greatly simplified and focuses on schematic representations of essential geometric relationships. 3a shows a coupling device for coupling a light beam, which from a one Auskoppelebene 16 defining decoupling surface of a grating coupler 14 can be decoupled. The grating coupler thus forms an example of an optical source. As optical sink is exemplified by a fiber 10 represented, which in the present case is shown in a longitudinal section. The fiber 10 has a coupling surface at its lower end 11 that is a coupling plane 12 Are defined. In the present example, the decoupling level 16 and the coupling level 12 parallel to each other and have a distance h to each other, the vertical distance of the coupling plane 12 from the decoupling level 16 equivalent.

3b zeigt ein leicht abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Koppelvorrichtung, die sich von der in 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 in 3b illustrated coupling device differs in that the Einkoppelebene 12 due to a tilt of the fiber 10 relative to the decoupling plane 16 is inclined. The distance between the decoupling surface 16 and the coupling surface 11 is in the present example along an imaginary extension of a fiber axis A between the coupling plane 11 and the decoupling level 16 So the chip surface 15 measured 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 3a und 3b illustriert sind, sind jedoch technisch gleichwertig zu behandeln und erfordern lediglich geringfügige Anpassungen in der konkreten Berechnung. Die in 3b dargestellte Situation findet in der Praxis häufigere Anwendung. Die nachfolgende Darstellung konzentriert sich jedoch auf den in der Praxis selteneren Fall der 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 geometric term "distance" can thus be different in different embodiments of devices and methods according to the invention. Such variants of the geometric meaning of the terms, as they are in 3a and 3b are technically equivalent and require only minor adjustments in the actual calculation. In the 3b This situation is more frequently used in practice. However, the following presentation concentrates on the less frequent case in practice 3a because in this way can be dispensed with the explanation of consuming, but completely familiar to the expert conversions between different coordinate systems and the corresponding to be changed control of the actuators in the adjustment.

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 4 bis 8 dargestellten Vorrichtungen und Verfahrensführungen. From the grating coupler 14 During operation of the illustrated device, a light beam S is coupled out and must be in the fiber 10 be coupled. These are 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 in order to achieve a desired optimal coupling of the beam into the fiber. The lateral adjustment as such is known to the person skilled in the art and will not be discussed further here. The adjustment of the distance, however, is based on the following with reference to further embodiments in the 4 to 8th illustrated devices and process guides.

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. 4 shows on the basis of a block diagram of an embodiment of an optical coupling device functional units that are used in 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.

Neben der aus 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 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. In addition to the out 3a and 3b already known light source, depending on the desired application, either the fiber 10 or the grating coupler 14 may be (hence the reference numerals 10 / 14 respectively. 14 / 10 for source and sink in 4 ), the following further parts of the optical coupling device are shown: a holding device 18 with three actuators in the form of controllable servomotors 18.1 . 18.2 and 18.3 , which in the present example for adjusting relative positions of the fiber 10 and the grating coupler 14 can change the fiber position. In a variant shown by dotted lines instead of the position of the source, the position of the light sink, which is also a grating coupler 14 or fiber 10 can be pretended. The grating coupler 14 will always be together with the chip carrying it 15 adjusted. In another variant (not shown) are stepper motors for both optical elements, ie fiber 10 and grating coupler 14 intended. Furthermore, an alignment laser 20 as well as a photodetector 22 , for example in the form of a optical power meter or in the form of a photodiode. The path of the light in the adjustment of the device in the present example is indicated by a dashed line.

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. Furthermore, a control unit 24 provided, either in the form of an integrated circuit (eg ASIC) or in the form of a software technically configured computer. The control unit 24 is on the one hand with a reference data memory 26 and secondly with an evaluation unit 28 connected.

Im Betrieb der optischen Koppelvorrichtung der 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 4 represents the holding device 18 in accordance with the control unit 24 using the three servomotors 18.1 to 18.3 in three dimensions, a predetermined by the control unit relative position of the source and the sink to each other. The also from the control unit 24 controlled alignment laser 20 generates a light beam, which is passed through the light source and the light sink in their current relative position to each other for measuring the coupling efficiency. 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 using the sensor unit 22 detected in the form of the photodiode. The electrical intensity signal generated by it is on the one hand to the control device 24 and on the other hand to the evaluation unit 28 forwarded.

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, the coupling device for calibration and after calibration for determining a distance value h or h 'between the decoupling plane, so for example, the plane 16 and the Einkoppelebene, so for example the level 12 to drive, as explained below with reference to the method described there.

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. The control unit controls the determination of the beam width 24 the holding device 18 to set a variety of different actuator positions at 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 each of the grating coupler 14 decoupled and into the fiber 10 coupled light intensity. The evaluation unit calculates a value for the set distance based on the light intensities detected in the different lateral actuator positions at this distance, which represents a beam width similar to that of the grating coupler 14 decoupled beam in the coupling plane 11 Has. Using reference beamwidth data stored in the reference data memory 26 are stored, and specify 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 determined.

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. 5a FIG. 4 is an example diagram illustrating measured values of a beam width determined by the method according to the invention as a function of the distance between coupling grating and fiber. The beam width is reproduced here as a spot radius w, which is half the beam width 2w equivalent. 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, the metrologically not detectable spot radius w ₀ with vanishing distance between the grating coupler 14 and the fiber 10 to investigate. 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:

wobei w den Strahlradius angibt, w₀ den Strahlradius bei verschwindendem Abstand h = 0 (Strahltaille), (h – h_off) den Abstand zwischen Quelle und Senke, λ die Wellenlänge und n den Brechungsindex angibt. Der Korrekturfaktor h_off gleicht hierbei einen Offset zwischen den Positionen der Steller h und dem tatsächlichen Abstand zwischen Quelle und Senke aus.The beam width in the form of the spot radius is calculated using the following formula for Gaussian beams:

where w indicates the beam radius, w ₀ indicates the beam radius with zero distance h = 0 (beam waist), (h - h _off ) the distance between source and sink, λ the wavelength and n the refractive index. The correction factor h _off compensates for an offset between the positions of the actuators h and the actual distance between source and sink.

h_off kann bei fokusierenden und defokusierenden elementen als Quelle oder Senke auch den dadurch entstehenden Offset ausgleichen. In diesem Fall ist jedoch (h – h_off) nicht mehr mit dem mit dem physikalischem Abstand zwischen Quelle und Senke identisch.h _off can also be used as a source or sink for focusing and defocusing elements compensate for the resulting offset. In this case, however, (h - h _off ) 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

wobei ergänzend zu den bereits erläuterten Symbolen in dieser Formel der Strahlqualitätsparameter M² verwendet wird, der anhand der Formel

bestimmbar ist. Weiterhin lässt sich der Abstand als Funktion der Strahlweite darstellen als

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

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. Furthermore, the distance can be represented as a function of the beam width as

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 5b erkennbar, die im Diagramm von unten nach oben gesehen den Strahlqualitätsparametern M² = 1,2; 1,5; und 2 entsprechen. 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 is based on the other curves in 5b recognizable, seen in the diagram from bottom to top the beam quality parameters M ² = 1.2; 1.5; and 2 correspond.

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 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. 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, so the value of the beam width at vanishing distance from the beam waist. Alone 5c The curves shown 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.

6 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Betriebsverfahrens einer optischen Koppelvorrichtung wie in 4, hier zur Ermittlung eines aktuellen Abstandswertes zwischen einer Quelle und einer Senke. Es sei angemerkt, dass die Flussdiagramme der 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. 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 FIG. 11 is a flowchart of one embodiment of an operation method of an optical coupling device as in FIG 4 , here to determine a current distance value between a source and a sink. It should be noted that the flow charts of the 6 to 8th assume the z position as an example of the distance value, ie a value which can be set with only a single servo motor. The distance value (h or h ') can, however, depending on the configuration of the coupling device (see. 3a and 3b ) can be adjusted 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 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 xy 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 indicates that the control unit is not setting a new xy position. In this way, therefore, a scan of the intensity distribution in the xy 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 then allows, using previously stored reference beam width data, as in the 5a to 5c are shown to determine the beam width (step S20).

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 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. 7 shows an embodiment of an operating method of an optical coupling device according to the invention for determining reference beam width data, which may also be referred to as calibration beam width data. This procedure can be done before the procedure of 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).

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. In this method, a predetermined number of x-y positions are set for various distance values each set in a step S30 (S32), and the intensity is measured at these x-y 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 carried out at a later stage of the procedure. 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 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 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 6 herangezogen werden zu können. In the process of 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 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), and then used for later distance determinations 6 to be used.

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 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 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. 8th 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 previously, for example, according to the method of 7 was calibrated. 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 subsequently confirmed by executing a method 6 determined (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

Method of operating a self-aligning optical coupling device for automatically determining a distance value belonging to 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: 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; - 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; 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 - 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.

Operating method according to claim 1, wherein the distance control variable is an actuator position, in particular a servomotor position of one or more servomotors.

Operating method according to claim 1 or 2, additionally comprising before the determination of the distance value: - Recording the reference beam width data in an automatic calibration procedure before determining the distance, comprising 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; 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 Determining and assigning distance values to the distance actuator positions based on the determined expansion function and the determined actuator distance zero point.

Method according to at least one of the preceding claims, in which the size which represents the beam width of the light beam coupled out from the source in the coupling plane determines either the half-value width of the light beam or the 1 / e width of the light intensity in at least one direction in the coupling-in plane and in which the adjustment of the plurality of lateral relative positions for detecting light intensities at one and the same distance actuator position in a lateral direction is performed at least until the half values and the 1 / e values of the light intensity on either side of an intensity main maximum, respectively.

Method according to at least one of the preceding claims, in which the beam model for the light coupled out of the decoupling plane corresponds to a Gaussian beam profile.

Control method of a self-aligning optical coupling device, which can be set in three dimensions with servomotors, for the automatic setting of a predetermined distance value between an optical source and an optical sink, comprising: - Controlling at least one of the servomotors for setting a predetermined starting 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; 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; - Determining a predetermined distance value associated distance-actuator position based on the reference beam width data; and - Controlling at least one of the servomotors for setting the determined distance servomotor position.

A method according to any one of the preceding claims, wherein a nano-photonic grating coupler forms either the source or the well.

A method according to any one of the preceding claims, wherein an optical fiber forms either the sink or the source.

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 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 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 capture each of 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 distance value.

Coupling device according to claim 9, wherein the control device is additionally designed to control the holding device, the sensor unit and the evaluation unit for performing an automatic calibration procedure comprising 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; 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; Determining and assigning distance values to the distance actuator positions based on the determined expansion function and the determined actuator distance zero point.

Coupling device according to claim 9 or 10, wherein the control device is adapted for automatically setting a predetermined distance between the optical source and the optical sink - to control at least one of the servomotors to set a predetermined starting actuator position, the coupling of a detectable light intensity of allows the source coupled out light beam into a coupling surface of the sink without risk of direct mechanical contact between source and sink; To determine a distance value assigned to the starting servomotor position; 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.

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.