DE102018120645A1

DE102018120645A1 - Stufenkoppler für planare Wellenreiter

Info

Publication number: DE102018120645A1
Application number: DE102018120645.3A
Authority: DE
Inventors: Scott Robert Davis; Shrenik Deliwala; Michael Ziemkiewicz; Derek Gann; Andrew William Sparks; Michael Howard Anderson
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2019-02-28
Anticipated expiration: 2038-08-24
Also published as: JP2019040187A; JP6789268B2; CN109425928B; CN109425928A; US9983355B1; DE102018120645B4

Abstract

Ein optischer Koppler kann bereitgestellt sein, um einen Lichtstrahl in einen Wellenleiter zu koppeln. Der optische Koppler kann eine gestufte Struktur aufweisen, sodass Schwierigkeiten während der Herstellung verringert werden, mit der Herstellung assoziierte Ausgaben verringert werden und zusätzlich dazu ein erhöhter Akzeptanzwinkel des optischen Kopplers bereitgestellt wird. Der Wellenleiter kann ein Leitgebiet aufweisen, in dem eine Ummantelungsdicke bezüglich eines Kopplungsgebiets erhöht werden kann, sodass Verluste aufgrund einer evaneszenten Auskopplung im Leitgebiet verringert werden.

Description

Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Koppeln eines Lichtstrahls in einen planaren Wellenleiter.
Hintergrund
Gewisse optische Koppler können einen optischen Freiraum-Strahl in einen Wellenleiter koppeln.
Kurzdarstellung der Offenbarung
In gewissen Systemen kann ein gleichmäßig spitz zulaufender optischer Koppler verwendet werden, um einen Freiraum-Lichtstrahl in einen Wellenleiter zu koppeln. Der gleichmäßig spitz zulaufende optische Koppler kann schwierig und/oder kostspielig herzustellen sein. Zusätzlich dazu können gleichmäßig spitz zulaufende optische Koppler einen Akzeptanzwinkel des optischen Kopplers beschränken. Die Erfinder haben unter anderem den Bedarf für einen optischen Koppler mit einer gestuften Struktur erkannt, sodass Schwierigkeiten während der Herstellung verringert werden, mit der Herstellung assoziierte Ausgaben verringert werden und zusätzlich dazu ein erhöhter Akzeptanzwinkel des optischen Kopplers bereitgestellt wird. Weitere Merkmale der Offenbarung sind in den angehängten Ansprüchen bereitgestellt, wobei die Merkmale optional miteinander in einer beliebigen Permutation oder Kombination kombiniert werden können, sofern in diesem Dokument anderweitig ausdrücklich nichts anderes angegeben wird.
Bei einem Aspekt kann die Offenbarung einen planaren Wellenleiter zum Empfangen und Leiten eines Lichtstrahls mit verringerter evaneszenter Kopplung des Lichtstrahls während des Leitens aufweisen. Der planare Wellenleiter kann einen Wellenleiterkern und eine erste und zweite optische Ummantelung aufweisen, sodass der Lichtstrahl entlang einer Länge des Wellenleiters geleitet wird. Der planare Wellenleiter kann auch einen optischen Koppler mit einem ersten Koppelgebiet, das von einem Leitgebiet getrennt ist, aufweisen, wobei der optische Koppler zumindest eine stufenweise Abnahme in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist und die erste optische Ummantelung zumindest eine entsprechende stufenweise Zunahme in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist, sodass eine evaneszente Kopplung im Leitgebiet verringert wird, und wobei das erste Koppelgebiet des optischen Kopplers in der Lage sein kann, Licht in den Wellenleiterkern einzukoppeln. Das erste Koppelgebiet des optischen Kopplers kann in der Lage sein, einen Teil des Lichtstrahls, der ein Nahfeldprofil aufweist, das ein exponentielles Nahfeldprofil überlappt, einzukoppeln. Der optische Koppler kann eine Reihe von stufenweisen Abnahmen in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweisen und die erste optische Ummantelung kann entsprechende stufenweise Zunahmen in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweisen und wobei der optische Koppler dazu ausgebildet sein kann, einen Teil des Lichtstrahls, der ein Nahfeldprofil aufweist, das ein exponentielles Nahfeldprofil überlappt, zu koppeln. Der optische Koppler kann eine Reihe von variierenden stufenweisen Abnahmen in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweisen und die erste optische Ummantelung kann entsprechende variierende stufenweise Zunahmen in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweisen. Die variierenden stufenweisen Abnahmen in der Dicke können eine variierende Höhe und Breite einer individuellen der stufenweisen Abnahmen in der Dicke aufweisen und der optische Koppler kann dazu ausgebildet sein, einen Teil des Lichtstrahls, der ein Nahfeldprofil aufweist, bei dem ein Großteil des Nahfeldprofils ein exponentielles Nahfeldprofil überlappt, zu koppeln. Der planare Wellenleiter kann auch mindestens einen Abstandhalter aufweisen, sodass ein Abstand zwischen dem Wellenleiterkern und dem optischen Koppler definiert wird, der ein Einkoppeln eines Teils eines Lichtstrahls, der ein Nahfeldprofil aufweist, das ein exponentielles Nahfeldprofil überlappt, in den Wellenleiterkern bereitstellen kann, und die erste optische Ummantelung kann ein Flüssigkristallmaterial aufweisen. Der planare Wellenleiter kann auch ein festes Füllmaterial aufweisen, das sich zwischen dem Flüssigkristallmaterial und dem optischen Koppler befinden kann. Der optische Koppler kann dazu ausgebildet sein, einen Freiraum-Lichtstrahl mit einem Gaußschen Profil mit einer Effizienz von mindestens 80 % zu koppeln. Der optische Koppler kann ein zweites Koppelgebiet, das vom Leitgebiet getrennt ist, und eine stufenweise Zunahme in der Dicke zwischen dem zweiten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweisen und die erste optische Ummantelung kann eine stufenweise Abnahme in der Dicke zwischen dem zweiten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweisen, sodass eine Kopplung im zweiten Koppelgebiet erhöht wird, und das zweite Koppelgebiet des optischen Kopplers kann in der Lage sein, einen Teil des Lichtstrahls, der von dem Wellenleiterkern geleitet wird, transversal auszukoppeln. Der optische Koppler kann eine Reihe von variierenden stufenweisen Zunahmen in der Dicke zwischen dem zweiten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweisen und die erste optische Ummantelung kann entsprechende variierende stufenweise Abnahmen in der Dicke zwischen dem zweiten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweisen. Die variierenden stufenweisen Zunahmen in der Dicke können eine variierende Höhe und Breite von individuellen der stufenweisen Zunahmen in der Dicke aufweisen und die variierenden stufenweisen Zunahmen in der Dicke können angepasst werden, sodass ein Profil eines ausgekoppelten Teils des Lichtstrahls, der von dem Wellenleiterkern geleitet wird, modifiziert wird.
Bei einem Aspekt kann die Offenbarung ein Verfahren zum Koppeln eines Freiraum-Lichtstrahls zu einem planaren Wellenleiter aufweisen. Das Verfahren kann Einkoppeln von Licht in einen Kern in einem ersten Gebiet des planaren Wellenleiters über einen optischen Koppler und eine erste Ummantelung mit einer ersten Dicke aufweisen. Das Verfahren kann auch Leiten des eingekoppelten Lichts durch ein zweites Gebiet des planaren Wellenleiters aufweisen, in dem die erste Ummantelung eine zweite Dicke größer als die erste Dicke aufweist, wobei sich mindestens eine Stufe zwischen der ersten Dicke und der zweiten Dicke in der ersten Ummantelung zwischen dem ersten und zweiten Gebiet des Wellenleiters befinden kann. Das Verfahren kann auch Auskoppeln von Licht vom Kern in einem dritten Gebiet des Wellenleiters, das durch das zweite Gebiet des Wellenleiters vom ersten Gebiet des Wellenleiters getrennt sein kann, über einen optischen Koppler aufweisen und die erste Ummantelung kann eine dritte Dicke aufweisen, die geringer als die zweite Dicke ist, wobei sich eine Stufe zwischen der zweiten Dicke und der dritten Dicke in der ersten Ummantelung zwischen dem zweiten und dritten Gebiet des Wellenleiters befinden kann. Das Verfahren kann auch Bereitstellen eines Abstandhalters aufweisen, wie etwa um einen Abstand zwischen einem Kern des planaren Wellenleiters und einem optischen Koppler im ersten Gebiet des Wellenleiters mechanisch zu definieren, sodass eine evaneszente Kopplung im ersten Gebiet des Wellenleiters bereitgestellt wird, und wobei die erste Ummantelung ein Flüssigkristallmaterial aufweisen kann. Das Verfahren kann auch Bereitstellen eines festen Füllmaterials aufweisen, das sich zwischen dem Flüssigkristallmaterial und dem optischen Koppler befindet. Das Verfahren kann auch Bereitstellen eines optischen Kopplers mit einer gestuften Struktur, die eine Reihe von stufenweisen Abnahmen in der Dicke zwischen dem ersten Gebiet des Wellenleiters und dem zweiten Gebiet des Wellenleiters aufweisen kann, und Bereitstellen einer ersten optischen Ummantelung mit einer entsprechenden gestuften Struktur einschließlich einer Reihe von stufenweisen Zunahmen in der Dicke zwischen dem ersten Gebiet des Wellenleiters und dem zweiten Gebiet des Wellenleiters aufweisen. Ein Abstand zwischen dem Kern des planaren Wellenleiters und der Länge des dritten Gebiets des Wellenleiters kann eine Größe und ein Profil des ausgekoppelten Teils des geleiteten Lichtstrahls bestimmen.
Bei einem Aspekt kann die Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines planaren Wellenleiters aufweisen. Das Verfahren kann Bereitstellen eines optisch transparenten Substrats aufweisen. Das Verfahren kann auch Ätzen eines Teils des optisch transparenten Substrats aufweisen, sodass mindestens eine stufenweise Abnahme in der Dicke zwischen einem ersten Koppelgebiet und einem Leitgebiet ausgebildet wird. Das Verfahren kann auch Ablagern einer ersten optischen Ummantelung, die mindestens eine entsprechende stufenweise Zunahme in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweisen kann, auf die Oberfläche des optisch transparenten Substrats aufweisen. Das Verfahren kann auch Ablagern eines Kernmaterials aufweisen, das auf die Oberfläche der ersten optischen Ummantelung gestapelt wird. Das Verfahren kann auch Ablagern einer zweiten optischen Ummantelung aufweisen, die auf die Oberfläche des Kernmaterials gestapelt wird. Das Verfahren kann auch Bereitstellen von mindestens einem Abstandhalter, sodass ein Abstand zwischen einem Kern des planaren Wellenleiters und dem optischen Koppler im ersten Koppelgebiet bestimmt wird, und Bereitstellen eines Flüssigkristallmaterials, das angrenzend zu dem mindestens einen Abstandhalter sein kann, aufweisen. Das Verfahren kann auch Ätzen eines Teils des optisch transparenten Substrats, sodass eine Reihe von variierenden stufenweisen Abnahmen in der Dicke zwischen einem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet ausgebildet wird, und Ablagern einer ersten optischen Ummantelung mit einer Reihe von stufenweisen Zunahmen in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweisen.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird nun beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:

1 veranschaulicht ein Beispiel für einen planaren optischen Wellenleiter.
2A veranschaulicht ein Beispiel für simulierte Ergebnisse der Kopplungseffizienz in einem Wellenleiter.
2B veranschaulicht ein Beispiel für simulierte Ergebnisse der Kopplungseffizienz in einem Wellenleiter.
3A veranschaulicht ein Beispiel für stimulierte Ergebnisse der Kopplungseffizienz in einem Wellenleiter.
3B veranschaulicht Beispiele für Nahfeld-Leistungsdichteprofile in einem Wellenleiter.
4 veranschaulicht ein Beispiel für eine Fernfeld-Leistungsdichte eines ausgekoppelten Lichtstrahls.
5A-5B veranschaulichen Beispiele für ein Einkopplungsgebiet.
6 veranschaulicht ein Beispiel für ein Nahfeld-Leistungsdichteprofil in einem Wellenleiter.
7 veranschaulicht ein Beispiel für einen planaren optischen Wellenleiter.
8 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Wellenleiters.
9 veranschaulicht ein Verfahren zur Verwendung eines planaren optischen Wellenleiters.
10 veranschaulicht ein Beispiel für einen planaren optischen Wellenleiter.

Ausführliche Beschreibung
Optische Koppler können einen Lichtstrahl in einen Wellenleiter koppeln. Gewisse optische Koppler können ein gleichmäßig spitz zulaufendes Gebiet aufweisen, das einen Lichtstrahl in einen Wellenleiter koppeln kann. Das gleichmäßig spitz zulaufende Gebiet kann jedoch schwierig und/oder kostspielig herzustellen sein. Im Folgenden ist ein optischer Koppler mit einer gestuften Struktur beschrieben, sodass Schwierigkeiten während der Herstellung verringert werden, mit der Herstellung assoziierte Ausgaben verringert werden und zusätzlich dazu ein erhöhter Akzeptanzwinkel des optischen Kopplers bereitgestellt wird.
1 veranschaulicht ein Beispiel für einen planaren optischen Wellenleiter 100. Der optische Wellenleiter 100 kann einen optischen Koppler 104, eine erste optische Ummantelung 108, einen Wellenleiterkern 112 und eine zweite optische Ummantelung 116 aufweisen. Der optische Koppler 104, die erste optische Ummantelung 108, der Wellenleiterkern 112 und die zweite optische Ummantelung 116 können einen Stapel bilden, wie in 1 veranschaulicht. Der planare optische Wellenleiter 100 kann ein Einkopplungsgebiet 120, ein Leitgebiet 124 und ein Auskopplungsgebiet 128 aufweisen. Im Einkopplungsgebiet 120 kann eine Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 (D1) derart ausgewählt werden, dass eine evaneszente Kopplung eines Lichtstrahls vom optischen Koppler 104 zum Wellenleiterkern 112 ermöglicht wird. Eine evaneszente Kopplungsstärke kann durch den Ausdruck $h = e^{- k S \sqrt{β^{2} - n_{l ü c k e}^{2}}}$
repräsentiert werden, wobei h eine evaneszente Kopplungsstärke repräsentieren kann, k eine Wellenzahl repräsentieren kann, S eine Breite eines Gebiets, durch das Licht tunnelt, repräsentieren kann, β einen effektiven Index eines Lichtstrahls repräsentieren kann und n_lücke einen effektiven Index im Gebiet, durch das das Licht tunnelt, repräsentieren kann. Der Lichtstrahl kann ein evaneszentes Ende aufweisen, das exponentiell als eine Funktion des Abstands vom Wellenleiterkern 112 abklingt. Eine evaneszente Kopplung kann auftreten, wenn ein evaneszentes Ende des Lichtstrahls in den optischen Koppler 104 eindringt. Die evaneszente Kopplung des Lichtstrahls vom Wellenleiterkern 112 zum optischen Koppler 104 kann sich erhöhen, wenn das evaneszente Ende des Lichtstrahls weiter in den optischen Koppler 104 eindringt. Eine Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 kann verwendet werden, um eine Menge an evaneszenter Kopplung zwischen dem Wellenleiter 112 und dem optischen Koppler 104 anzupassen. Ein Erhöhen einer Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 kann zum Beispiel die evaneszente Kopplung zwischen dem Wellenleiterkern 112 und dem optischen Koppler 104 verringern und ein Verringern einer Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 kann die evaneszente Kopplung zwischen dem Wellenleiterkern 112 und dem optischen Koppler 104 erhöhen. Der optische Koppler kann eine Facette 105 aufweisen, sodass ein Lichtstrahl zur Grenzfläche zwischen dem optischen Koppler 104 und der ersten optischen Ummantelung 108 bereitgestellt wird. Einen Winkel der Facette, θ_p, kann derart ausgewählt werden, dass ein Lichtstrahl bereitgestellt wird, der einen Einfallswinkel über den kritischen Winkel hinaus aufweist, der durch die Grenzfläche zwischen dem optischen Koppler 104 und der ersten optischen Ummantelung 108 bestimmt wird (z. B. zwischen 0,1 und 10 Grad über den kritischen Winkel hinaus). Ein Einfallswinkel des Lichtstrahls kann eine Abklinglänge eines evaneszenten Endes des Lichtstrahls bestimmen. Bei einem Beispiel kann der optische Koppler 104 ein Beugungsgitter anstelle der Facette 105 aufweisen, wobei das Beugungsgitter einen Lichtstrahl zur Grenzfläche zwischen dem optischen Koppler 104 und der ersten optischen Ummantelung 108 mit einem Einfallswinkel über den kritischen Winkel hinaus, der durch die Grenzfläche zwischen dem optischen Koppler 104 und der ersten optischen Ummantelung 108 bestimmt wird, bereitstellen kann (z. B. zwischen 0,1 und 10 Grad über den kritischen Winkel hinaus). Im Leitgebiet 124 kann eine Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 (D2) derart ausgewählt werden, dass eine evaneszente Kopplung des Lichtstrahls vom Wellenleiterkern 112 zum optischen Koppler 104 verringert oder verhindert wird. Die Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 (D2) kann derart ausgewählt werden, dass Verluste im Leitgebiet 124 zu weniger als 1 dB/cm beschränkt werden. Bei einem Beispiel kann die Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 im Leitgebiet 124 im Bereich von 2 µm bis 10 µm liegen. Die Änderung in der Dicke in der ersten optischen Ummantelung 108 zwischen dem Einkopplungsgebiet 120 und dem Leitgebiet 124 kann eine stufenartige Struktur 132 aufweisen. Eine Steigung der stufenartigen Struktur 132 kann mindestens 100 zu 1 betragen. Im Auskopplungsgebiet 128 kann eine Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 (D3) derart ausgewählt werden, dass eine evaneszente Kopplung eines Lichtstrahls vom Wellenleiterkern 112 zum optischen Koppler 104 ermöglicht wird. Die Änderung in der Dicke in der ersten optischen Ummantelung 108 zwischen dem Auskopplungsgebiet 128 und dem Leitgebiet 124 kann eine stufenartige Struktur 136 aufweisen. Eine Steigung der stufenartigen Struktur 136 kann mindestens 100 zu 1 betragen. Die erste optische Ummantelung 108 kann angrenzend zum Wellenleiterkern 112 liegen und sich über diesem befinden, wie in 1 veranschaulicht. Die zweite optische Ummantelung kann angrenzend zum Wellenleiterkern 112 liegen und sich unter diesem befinden, wie in 1 veranschaulicht. Der optische Koppler 104 kann angrenzend zur ersten optischen Ummantelung 108 liegen und sich über dieser befinden. Der optische Koppler 104 kann ein Siliziummaterial aufweisen. Die erste optische Ummantelung 108 kann ein Glasmaterial, ein kristallines Material oder ein Kunststoffmaterial aufweisen. Die zweite optische Ummantelung 116 kann ein Glasmaterial, ein kristallines Material, ein Kunststoffmaterial oder ein Flüssigkristallmaterial aufweisen. Während des Betriebs kann ein Freiraum-Lichtstrahl 124 auf die Facette 105 des optischen Kopplers 104 einfallen. Der Freiraum-Lichtstrahl 124 kann auf die Facette 105 mit einem Winkel nahe dem Brewster-Winkel einfallen. Der Lichtstrahl kann dann durch den optischen Koppler 104 zu einem Teil des optischen Kopplers nahe der Grenze zwischen dem Koppelgebiet 120 und dem Leitgebiet 124 laufen. Ein Teil des Lichtstrahls, der eine Überlappung mit einem exponentiellen Nahfeldprofil aufweist, kann dann zum Wellenleiterkern 112 gekoppelt werden. Der Ausdruck Nahfeld kann sich auf ein Gebiet innerhalb einer Rayleigh-Länge (z_R) einer Grenzfläche beziehen, wobei die Rayleigh-Länge durch den Ausdruck $z_{R} = \frac{n π w_{0}^{2}}{λ}$
beschrieben werden kann, wobei n einen Brechungsindex repräsentieren kann, w_o eine Strahltaille repräsentieren kann und λ eine Lichtwellenlänge repräsentieren kann. Der gekoppelte Teil des Lichtstrahls 124 kann dann durch das Leitgebiet 124 geleitet werden. Nahe einer Grenze zwischen dem Leitgebiet 124 und dem Auskopplungsgebiet 128 kann ein Teil des Freiraum-Lichtstrahls vom Wellenleiterkern zum optischen Koppler 104 ausgekoppelt werden. Nachdem er durch den optischen Koppler 104 gelaufen ist, kann der ausgekoppelte Teil des Lichtstrahls an einer Facette 106 aus dem optischen Koppler 104 austreten.
2A veranschaulicht ein Beispiel für simulierte Ergebnisse einer Kopplungseffizienz in einem Wellenleiter, wie etwa dem in 1 dargestellten planaren optischen Wellenleiter 100. Die Kopplungseffizienz kann mit einer Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 variieren. In dem Beispiel kann eine Dicke der ersten optischen Ummantelung in einem Bereich von etwa 0,5 µm zu etwa 1,2 µm variiert werden. In dem in 2 veranschaulichten Beispiel kann die Kopplungseffizienz ein lokales Maximum von ungefähr 80 % aufweisen, bei dem die Dicke der ersten optischen Ummantelung etwa 0,8 µm betragen kann. In einem Beispiel kann ein Brechungsindex des optischen Kopplers 104 größer sein als ein Brechungsindex der ersten optischen Ummantelung 108 und ein Brechungsindex des Wellenleiterkerns 108 kann größer sein als ein Brechungsindex der ersten optischen Ummantelung 108.
2B veranschaulicht ein Beispiel für simulierte Ergebnisse einer Kopplungseffizienz in einem Wellenleiter, wie etwa dem in 1 dargestellten planaren optischen Wellenleiter 100. Die Kopplungseffizienz kann mit einem Einfallswinkel des Lichtstrahls 124 variieren. Die Kopplungseffizienz kann maximiert werden, wenn der Einfallswinkel des Lichtstrahls 124 über dem kritischen Winkel zwischen der ersten optischen Ummantelung 108 und dem Wellenleiterkern 112 hinaus liegt (z. B. zwischen 0,1 und 20 Grad über den kritischen Winkel hinaus). Ein Akzeptanzwinkel des Wellenleiters kann ungefähr 0,2 Grad sein, wie in 2B veranschaulicht.
3A veranschaulicht ein Beispiel für stimulierte Ergebnisse einer Kopplungseffizienz in einem Wellenleiter, wie etwa dem in 1 dargestellten planaren optischen Wellenleiter 100. Die Kopplungseffizienz kann mit einer Position des Lichtstrahls 124 entlang einer Längsrichtung des Wellenleiters variieren. Die Kopplungseffizienz kann maximiert werden, wenn eine Position des Lichtstrahls proximal zu einer Grenze zwischen dem Einkopplungsgebiet 120 und dem Leitgebiet 124 ist. Die in 3A veranschaulichte volle Breite bei halbem Maximum der Kopplungseffizienz kann ungefähr fünf Strahltaillen entsprechen.
3B veranschaulicht ein Beispiel für ein Nahfeld-Leistungsdichteprofil 308 eines ausgekoppelten Lichtstrahls und ein Nahfeld-Leistungsdichteprofil 304 eines eingekoppelten Lichtstrahls an der Grenzfläche zwischen dem Einkopplungsgebiet 120 und dem Leitgebiet 124. Das Nahfeld-Leistungsdichteprofil 308 des ausgekoppelten Lichtstrahls kann ein exponentielles Profil kombiniert mit einem Stufenprofil aufweisen, wie in 3B veranschaulicht. Die Stufe im Nahfeld-Leistungsdichteprofil 308 kann einer Grenze zwischen dem Leitgebiet 124 und dem Einkopplungsgebiet 120 entsprechen. Nach der Ausbreitung zum Fernfeld kann sich das Nahfeld-Leistungsdichteprofil 308 in ein Lorentzsches Profil transformieren. Das Nahfeld-Leistungsdichteprofil 304 des eingekoppelten Lichtstrahls kann ein Gaußsches Profil aufweisen. Eine optimale Kopplungseffizienz eines Lichtstrahls mit einem Gaußschen Profil kann auftreten, wenn der Gaußsche Lichtstrahl nahe einer Grenze des Einkopplungsgebiets 120 und des Wellenleiterkerns 124 einfällt. Eine optimale Kopplungseffizienz kann zum Beispiel einer Situation entsprechen, bei der eine Mitte des Gaußschen Lichtstrahls ungefähr eine Strahltaille weg von einer Grenze des Einkopplungsgebiets 120 und des Wellenleiterkerns 124 ist. Bei einem Beispiel kann eine optimale Kopplungseffizienz auftreten, wenn eine Überlappung zwischen dem Nahfeld-Leistungsdichteprofil 308 des ausgekoppelten Lichtstrahls und dem Nahfeld-Leistungsdichteprofil 304 des eingekoppelten Lichtstrahls an der Grenzfläche zwischen dem Einkopplungsgebiet 120 und dem Leitgebiet 124 maximiert wird. Eine Überlappung zwischen den Nahfeld-Leistungsdichteprofilen kann wie folgt ausgedrückt werden: $η = \frac{{| 〈 Ω | V_{in} 〉 |}^{2}}{〈 V_{in} | V_{in} 〉 〈 Ω | Ω 〉}$
Wobei η eine Einkopplungseffizienz repräsentieren kann, wie etwa die in 2A dargestellte Einkopplungseffizienz, Ω eine elektrische Feldverteilung in einem ausgekoppelten Strahl entlang der Grenzfläche repräsentieren kann, wobei Phaseninformationen erhalten werden, und V_in die elektrische Feldverteilung entlang der Grenzfläche für den einfallenden Lichtstrahl repräsentieren kann, wobei wiederum die Phaseninformationen erhalten werden. Die Klammern ( < | > ) repräsentieren Überlappungsintegrale.
4 veranschaulicht ein Beispiel für eine Fernfeld-Leistungsdichte eines ausgekoppelten Lichtstrahls, wie etwa der, der aus dem Auskopplungsgebiet 128 ausgekoppelt werden kann, wie in 1 veranschaulicht. Die Fernfeld-Leistungsdichte kann ein Lorentzsches Profil aufweisen. Bei einem Beispiel kann das Lorentzsche Fernfeldprofil einem exponentiellen Nahfeldprofil entsprechen.
5A veranschaulicht ein Beispiel für ein Einkopplungsgebiet, wie etwa das in 1 dargestellte Einkopplungsgebiet 120. In 5A kann die stufenartige Struktur 132 eine erste Terrasse 140 mit einer Höhe h1 und eine zweite Terrasse 142 mit einer Höhe h2 aufweisen. Die Höhe der Terrassen kann derart ausgewählt werden, dass ein Nahfeld-Leistungsdichteprofil mit einer größeren Überlappung mit einem Gaußschen Profil als eine stufenartige Struktur mit einer einzigen Stufe, wie etwa die in 1 dargestellte einzelne Stufe, bereitgestellt wird. Bei einem Beispiel kann die Höhe jeder Terrasse durch den Ausdruck $h_{T e r r a s s e} = \frac{m λ}{\sqrt{n_{o p t i s c h e r K o p p l e r}^{2} - n_{e f f e k t i v}^{2}}}$
bestimmt werden, wobei m eine Beugungsordnung repräsentieren kann, λ eine Lichtwellenlänge des Lichtstrahls 124 repräsentieren kann, n_optischerKoppler einen Brechungsindex des optischen Kopplers 104 repräsentieren kann und n_eff einen effektiven Brechungsindex eines Lichtstrahls, der am Kern des planaren optischen Wellenleiters 100 herabgeleitet wird, repräsentieren kann. Bei einem Beispiel kann die Höhe jeder Terrasse so ausgewählt werden, dass sie kleiner als eine Lichtwellenlänge ist, wie etwa um ein Fresnel-artiges Element zu bilden. Um zum Beispiel in einem Fresnel-Regime zu arbeiten, kann eine Höhe von jeder der Terrassen im Bereich von 10 nm bis 400 nm bei einer Betriebswellenlänge von 1,5 µm liegen. Im Fresnel-Regime kann jede der Terrassen eine unterschiedliche Höhe aufweisen (z. B. kann die Höhe der Terrassen um so viel wie 400 nm von Terrasse zu Terrasse variieren). In dem in 5A dargestellten Beispiel kann ein Nahfeld-Leistungsdichteprofil eines ausgekoppelten Lichtstrahls eine Reihe von exponentiellen Gebieten aufweisen, wie in 6 veranschaulicht. Bei einem Beispiel kann die Kopplungseffizienz einer einzigen Terrasse ungefähr 80 % betragen und eine Kopplungseffizienz von zwei Terrassen kann ungefähr 90 % betragen. Bei einem Beispiel kann die Höhe jeder Terrasse bestimmt werden, indem ein gleichmäßiges spitz zulaufendes Profil mit einer Reihe von Terrassen, die jeweils eine Höhe kleiner als eine Wellenlänge des Lichtstrahls aufweisen, approximiert wird (z. B. können Terrassen eine Höhe im Bereich von 20 nm bis 500 nm aufweisen).
5B veranschaulicht ein Beispiel für ein Einkopplungsgebiet, wie etwa das in 1 dargestellte Einkopplungsgebiet 120. In 5B kann die stufenartige Struktur 132 eine erste Terrasse 140 mit einer Höhe h1, eine zweite Terrasse 142 mit einer Höhe h2 und eine dritte Terrasse 144 mit einer Höhe h3 aufweisen. Die Höhe der Terrassen kann derart ausgewählt werden, dass ein Nahfeld-Leistungsdichteprofil mit einer größeren Überlappung mit einem Gaußschen Profil als eine stufenartige Struktur mit zwei Terrassen, wie etwa die in 5A dargestellten zwei Terrassen, bereitgestellt wird. Die Höhe jeder Terrasse kann durch den oben unter Bezugnahme auf 5A beschriebenen Ausdruck bestimmt werden. In dem in 5B dargestellten Beispiel kann ein Nahfeld-Leistungsdichteprofil eines ausgekoppelten Lichtstrahls eine Reihe von exponentiellen Gebieten aufweisen. Bei einem Beispiel kann die Kopplungseffizienz einer einzigen Terrasse ungefähr 80 % betragen, eine Kopplungseffizienz von zwei Terrassen kann ungefähr 90 % betragen und eine Kopplungseffizienz von drei Terrassen kann größer als 90 % sein.
7 veranschaulicht ein Beispiel für einen planaren optischen Wellenleiter 700. Der planare optische Wellenleiter 700 kann einen optischen Koppler 104, eine erste optische Ummantelung 108, einen Wellenleiterkern 112 und eine zweite optische Ummantelung 116 aufweisen. Der optische Koppler 104, die erste optische Ummantelung 108, der Wellenleiterkern 112 und die zweite optische Ummantelung 116 können einen Stapel bilden, wie in 7 veranschaulicht. Die erste optische Ummantelung 108 kann ein flüssiges Material, wie etwa ein Flüssigkristallmaterial, aufweisen. Der optische Wellenleiter 700 kann Abstandhalter 109 aufweisen, die eine Dicke des flüssigen Materials im planaren optischen Wellenleiter 700 definieren können. Bei einem Beispiel können die Abstandhalter 109 einen integralen Teil des optischen Kopplers 104 bilden. Beispielsweise können sich Säulen oder Stand-Offs vom optischen Koppler 104 zu einer Oberfläche des Wellenleiterkerns 112 erstrecken. Der optische Wellenleiter 700 kann auch Dichtungen aufweisen, die ein Lecken des flüssigen Materials aus dem planaren optischen Wellenleiter 700 verringern können. Bei einem Beispiel, bei dem die erste optische Ummantelung 108 eine Flüssigkeit aufweisen kann, kann die erste optische Ummantelung 108 ein festes Füllmaterial 109 aufweisen, das sich über dem flüssigen Material befindet, wie in 7 veranschaulicht, sodass unerwünschte Randeffekte verringert werden, die auftreten können, wenn das flüssige Material eine Ecke oder einen Rand umgibt. Unerwünschte Randeffekte können falsch ausgerichtete Flüssigkristallmoleküle aufweisen (z. B. Flüssigkristallmoleküle, die in unerwünschte Richtungen ausgerichtet sind). Derartig falsch ausgerichtete Flüssigkristallmoleküle können unerwünschterweise eine Streuung des Lichtstrahls verursachen. Der planare optische Wellenleiter 700 kann ein Einkopplungsgebiet 120, ein Leitgebiet 124 und ein Auskopplungsgebiet 128 aufweisen. Im Einkopplungsgebiet 120 kann eine Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 (D1) durch eine Breite der Abstandhalter 109 bestimmt werden. Bei einem Beispiel können die Abstandhalter 109 Glasperlen oder Glaskugeln aufweisen. Die Breite der Abstandhalter kann derart ausgewählt werden, dass eine evaneszente Kopplung eines Lichtstrahls vom optischen Koppler 104 zum Wellenleiterkern 112 ermöglicht wird. Der optische Koppler kann eine Facette 105 aufweisen, sodass ein Lichtstrahl zur Grenzfläche zwischen dem optischen Koppler 104 und der ersten optischen Ummantelung 108 bereitgestellt wird. Ein Winkel der Facette, θ_p, kann derart ausgewählt werden, dass ein Lichtstrahl bereitgestellt wird, der einen Einfallswinkel über den kritischen Winkel hinaus aufweist, der durch die Grenzfläche zwischen dem optischen Koppler 104 und der ersten optischen Ummantelung 108 bestimmt wird (z. B. zwischen 0,1 und 10 Grad über den kritischen Winkel hinaus). Bei einem Beispiel kann der optische Koppler 104 ein Beugungsgitter anstelle der Facette 105 aufweisen, wobei das Beugungsgitter einen Lichtstrahl zur Grenzfläche zwischen dem optischen Koppler 104 und der ersten optischen Ummantelung 108 mit einem Einfallswinkel über den kritischen Winkel hinaus, der durch die Grenzfläche zwischen dem optischen Koppler 104 und der ersten optischen Ummantelung 108 bestimmt wird, bereitstellen kann (z. B. zwischen 0,1 und 10 Grad über den kritischen Winkel hinaus). Im Leitgebiet 124 kann eine Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 (D2) derart ausgewählt werden, dass eine evaneszente Kopplung des Lichtstrahls vom Wellenleiterkern 112 zum optischen Koppler 104 verringert oder verhindert wird. Die Änderung in der Dicke in der ersten optischen Ummantelung 108 zwischen dem Einkopplungsgebiet 120 und dem Leitgebiet 124 kann eine stufenartige Struktur 132 aufweisen. Im Auskopplungsgebiet 128 kann eine Dicke der ersten optischen Ummantelung 108 (D3) derart ausgewählt werden, dass eine evaneszente Kopplung eines Lichtstrahls vom Wellenleiterkern 112 zum optischen Koppler 104 ermöglicht wird. Die Änderung in der Dicke in der ersten optischen Ummantelung 108 zwischen dem Auskopplungsgebiet 128 und dem Leitgebiet 124 kann eine stufenartige Struktur 136 aufweisen.
Während des Betriebs kann ein Freiraum-Lichtstrahl 124 auf die Facette 105 des optischen Kopplers 104 einfallen. Der Freiraum-Lichtstrahl 124 kann auf die Facette 105 mit einem Winkel nahe dem Brewster-Winkel einfallen. Der Lichtstrahl kann dann durch den optischen Koppler 104 zu einem Teil des optischen Kopplers nahe der Grenze zwischen dem Koppelgebiet 120 und dem Leitgebiet 124 laufen. Ein Teil des Lichtstrahls, der eine Überlappung mit einem exponentiellen Nahfeldprofil aufweist, kann dann zum Wellenleiterkern 112 gekoppelt werden. Der gekoppelte Teil des Lichtstrahls 124 kann dann durch das Leitgebiet 124 geleitet werden. Nahe einer Grenze zwischen dem Leitgebiet 124 und dem Auskopplungsgebiet 128 kann ein Teil des Freiraum-Lichtstrahls vom Wellenleiterkern zum optischen Koppler 104 ausgekoppelt werden. Nachdem er durch den optischen Koppler 104 gelaufen ist, kann der ausgekoppelte Teil des Lichtstrahls an einer Facette 106 aus dem optischen Koppler 104 austreten. Mindestens eine Elektrode kann unter der zweiten optischen Ummantelung 116 enthalten sein. Eine Spannung kann an die mindestens eine Elektrode angelegt werden, sodass ein Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials in der ersten optischen Ummantelung 108 moduliert wird.
8 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Wellenleiters, wie etwa des planaren optischen Wellenleiters 100 oder 700. Ein optisch transparentes Substrat kann bereitgestellt werden (Schritt 810). Das Substrat kann dann geätzt werden, sodass ein optischer Koppler bereitgestellt wird, wie etwa der optische Koppler 104 (Schritt 820). Eine erste optische Ummantelung, wie etwa die erste optische Ummantelung 108, kann dann bereitgestellt werden (Schritt 830). Bei einem Beispiel kann die erste optische Ummantelung auf den optischen Koppler abgelagert werden. Die erste optische Ummantelung kann ein optisch transparentes Material aufweisen. Die abgelagerte optische Ummantelung kann dann geätzt werden, um eine Dicke der ersten optischen Ummantelung anzupassen. Ein Kernmaterial, wie etwa der Wellenleiterkern 112, kann dann bereitgestellt werden (Schritt 840). Bei einem Beispiel kann der Wellenleiterkern auf die erste optische Ummantelung abgelagert werden. Der Wellenleiterkern kann ein optisch transparentes Material aufweisen. Eine zweite optische Ummantelung, wie etwa die zweite optische Ummantelung 116, kann dann bereitgestellt werden (Schritt 850). Bei einem Beispiel kann die zweite optische Ummantelung auf den Wellenleiterkern abgelagert werden. Die zweite optische Ummantelung kann ein optisch transparentes Material aufweisen. Bei einem Beispiel kann die zweite optische Ummantelung als ein Substrat bereitgestellt werden und ein Wellenleiterkern kann auf die zweite optische Ummantelung abgelagert werden. Abstandhalter, wie etwa die in 7 dargestellten Abstandhalter 109, können dann am Wellenleiterkern angebracht werden und ein flüssiges Material, wie etwa ein Flüssigkristallmaterial, kann dann in einem Gebiet zwischen den Abstandhaltern bereitgestellt werden. Der optische Koppler kann dann auf die Abstandhalter gestapelt werden, um einen Wellenleiter zu bilden, wie etwa den wie in 7 dargestellten Wellenleiter 700.
9 veranschaulicht ein Verfahren zum Koppeln eines Freiraum-Lichtstrahls zu einem planaren Wellenleiter. Licht kann in einen Wellenleiterkern in einem ersten Gebiet des planaren Wellenleiters über einen optischen Koppler und eine erste Ummantelung mit einer ersten Dicke gekoppelt werden (Schritt 910). Das gekoppelte Licht kann dann durch ein zweites Gebiet des planaren Wellenleiters geleitet werden, in dem die erste Ummantelung eine zweite Dicke größer als die erste Dicke aufweisen kann, und mindestens eine Stufe zwischen der ersten Dicke und der zweiten Dicke kann sich in der ersten Ummantelung zwischen dem ersten und zweiten Gebiet des Wellenleiters befinden (Schritt 920). Licht kann dann vom Wellenleiterkern in einem dritten Gebiet des Wellenleiters, das durch das zweite Gebiet des Wellenleiters vom ersten Gebiet des Wellenleiters getrennt sein kann, über einen optischen Koppler ausgekoppelt werden und die erste Ummantelung kann eine dritte Dicke aufweisen, die geringer als die zweite Dicke sein kann, und eine Stufe zwischen der zweiten Dicke und der dritten Dicke kann sich in der ersten Ummantelung zwischen dem zweiten und dritten Gebiet des Wellenleiters befinden. Ein Abstandhalter kann bereitgestellt sein, um einen Abstand zwischen einem Kern des planaren Wellenleiters und einem optischen Koppler im ersten Gebiet des Wellenleiters mechanisch zu definieren, sodass eine evaneszente Kopplung im ersten Gebiet des Wellenleiters bereitgestellt wird. Die erste Ummantelung kann ein Flüssigkristallmaterial beinhalten. Ein festes Füllmaterial kann sich zwischen dem Flüssigkristallmaterial und dem optischen Koppler befinden. Ein optischer Koppler kann bereitgestellt sein, der eine gestufte Struktur einschließlich einer Reihe von stufenweisen Abnahmen in der Dicke zwischen dem ersten Gebiet des Wellenleiters und dem zweiten Gebiet des Wellenleiters aufweist. Eine erste optische Ummantelung kann bereitgestellt sein, die eine entsprechende gestufte Struktur einschließlich einer Reihe von stufenweisen Zunahmen in der Dicke zwischen dem ersten Gebiet des Wellenleiters und dem zweiten Gebiet des Wellenleiters aufweist. Ein Abstand zwischen dem Kern des planaren Wellenleiters und der Länge des dritten Gebiets des Wellenleiters kann eine Größe und ein Profil des ausgekoppelten Teils des geleiteten Lichtstrahls bestimmen.
10 veranschaulicht ein Beispiel für einen planaren optischen Wellenleiter 1000, bei dem eine Breite der ersten optischen Ummantelung 108 im ersten Gebiet 120 und im dritten Gebiet 128 des Wellenleiters 1000 abgeschrägt sein kann.
Jeder der hierin beschriebenen nicht beschränkenden Aspekte kann für sich alleine stehen oder kann mit verschiedenen Permutationen oder Kombinationen mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden. Die obige ausführliche Beschreibung weist Bezugnahmen auf die begleitenden Zeichnungen auf, die einen Teil der ausführlichen Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen spezielle Ausführungsformen, in denen die Erfindung umgesetzt werden kann, als Veranschaulichung. Diese Ausführungsformen werden vorliegend auch als „Beispiele“ bezeichnet. Derartige Beispiele können Elemente zusätzlich zu jenen gezeigten oder beschriebenen aufweisen. Jedoch beabsichtigt der vorliegende Erfinder auch Beispiele, bei denen lediglich jene gezeigten oder beschriebenen Elemente bereitgestellt sind. Zudem beabsichtigt der vorliegende Erfinder auch Beispiele, die eine beliebige Kombination oder Permutation jener gezeigten oder beschriebenen Elemente (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) verwenden, entweder mit Bezug auf ein bestimmtes Beispiel (oder einen oder mehrere Aspekte davon) oder mit Bezug auf andere Beispiele (oder einen oder mehrere Aspekte davon), die vorliegend gezeigt oder beschrieben sind. In dem Fall inkonsistenter Verwendungen zwischen diesem Dokument und beliebigen anderen Dokumenten, die durch Bezugnahme aufgenommen sind, gilt die Verwendung in diesem Dokument.
In diesem Dokument werden die Ausdrücke „ein“, „eine“ oder „einer“ so verwendet, wie in Patentdokumenten üblich ist, ein/eine/einen oder mehr als eine/einen aufweisend, unabhängig von beliebigen anderen Instanzen oder Verwendungen von „wenigstens einem“ oder „einem oder mehr“. In diesem Dokument wird der Ausdruck „oder“ verwendet, um auf ein nicht ausschließendes oder zu verweisen, so dass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ umfasst, sofern nichts Anderes angegeben ist. In diesem Dokument werden die Ausdrücke „einschließlich“ und „bei dem“ als die Äquivalente der jeweiligen Ausdrücke „aufweisend“ und „wobei“ in einfachem Deutsch verwendet. Außerdem sind die Ausdrücke „einschließlich“ und „aufweisend“ in den folgenden Ansprüchen offene Ausdrücke, das heißt, ein System, eine Vorrichtung, ein Artikel, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, der/die/das Elemente zusätzlich zu jenen aufgelisteten nach einem solchen Begriff in einem Anspruch aufweist, wird immer noch als in den Schutzumfang dieses Anspruchs fallend erachtet. Zudem werden in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Kennzeichnungen verwendet, und sollen keine numerischen Anforderungen hinsichtlich ihrer Objekte auferlegen.
Hier beschriebene Verfahrensbeispiele können zumindest teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein. Manche Beispiele können ein computerlesbares Medium oder ein maschinenlesbares Medium aufweisen, das mit Anweisungen codiert ist, die dazu funktionsfähig sind, eine elektronische Einrichtung zum Durchführen von Verfahren, wie in den obigen Beispielen beschrieben, zu konfigurieren. Eine Implementierung derartiger Verfahren können Code, wie etwa Microcode, Assemblersprachencode, Code einer höheren Programmiersprache oder dergleichen aufweisen. Ein derartiger Code kann computerlesbare Anweisungen zum Durchführen verschiedener Verfahren aufweisen. Der Code kann Teile von Computerprogrammprodukten bilden. Ferner kann der Code bei einem Beispiel greifbar auf einem oder mehreren flüchtigen, nichtflüchtigen greifbaren computerlesbaren Medien gespeichert werden, wie etwa während einer Ausführung oder zu anderen Zeiten. Beispiele für diese greifbaren computerlesbaren Medien können unter anderem Festplatten, entfernbare Magnetplatten, entfernbare optische Platten (z. B. Compact-Disks und Digital-Video-Disks), magnetische Kassetten, Speicherkarten oder -sticks, Direktzugriffsspeicher (RAMs), Nurlesespeicher (ROMs) und dergleichen aufweisen.
Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht beschränkend sein. Zum Beispiel können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können, wie etwa von einem Durchschnittsfachmann bei der Durchsicht der obigen Beschreibung verwendet werden. Die Zusammenfassung ist so bereitgestellt, dass sie 37 C.F.R. §1.72(b) entspricht, um dem Leser zu ermöglichen, das Wesen der technischen Offenbarung schnell herauszufinden. Sie ist mit dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht verwendet wird, um den Schutzumfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Auch können bei der obigen Ausführlichen Beschreibung verschiedene Merkmale zusammen gruppiert werden, um die Offenbarung zu straffen. Dies sollte nicht als die Absicht interpretiert werden, dass ein nicht beanspruchtes offenbartes Merkmal für einen beliebigen Anspruch wesentlich ist. Vielmehr kann der Erfindungsgegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform liegen. Dementsprechend sind die folgenden Ansprüche in die Ausführliche Beschreibung als Beispiele oder Ausführungsformen aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich alleine als eine getrennte Ausführungsform steht, und es ist beabsichtigt, dass solche Ausführungsformen miteinander in verschiedenen Kombinationen und Permutationen kombiniert werden können. Der Schutzumfang der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die angehängten Ansprüche zusammen mit dem vollen Schutzumfang von Äquivalenten, zu welchen solche Ansprüche berechtigen, bestimmt werden.
Gemäß einem Aspekt kann ein optischer Koppler bereitgestellt sein, um einen Lichtstrahl in einen Wellenleiter zu koppeln. Der optische Koppler kann eine gestufte Struktur aufweisen, sodass Schwierigkeiten während der Herstellung verringert werden, mit der Herstellung assoziierte Ausgaben verringert werden und zusätzlich dazu ein erhöhter Akzeptanzwinkel des optischen Kopplers bereitgestellt wird. Der Wellenleiter kann ein Leitgebiet aufweisen, in dem eine Ummantelungsdicke bezüglich eines Kopplungsgebiets erhöht werden kann, sodass Verluste aufgrund einer evaneszenten Auskopplung im Leitgebiet verringert werden.

Claims

Planarer Wellenleiter zum Empfangen und Leiten eines Lichtstrahls mit verringerter evaneszenter Kopplung des Lichtstrahls während des Leitens, wobei der planare Wellenleiter Folgendes aufweist: einen Wellenleiterkern und eine erste und zweite optische Ummantelung, sodass der Lichtstrahl entlang einer Länge des Wellenleiters geleitet wird; einen optischen Koppler mit einem ersten Koppelgebiet, das von einem Leitgebiet getrennt ist, wobei der optische Koppler zumindest eine stufenweise Abnahme in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist und die erste optische Ummantelung zumindest eine entsprechende stufenweise Zunahme in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist, sodass eine evaneszente Kopplung im Leitgebiet verringert wird, und wobei das erste Koppelgebiet des optischen Kopplers in der Lage ist, Licht in den Wellenleiterkern einzukoppeln.
Planarer Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei das erste Koppelgebiet des optischen Kopplers in der Lage ist, einen Teil des Lichtstrahls, der ein Nahfeldprofil aufweist, das ein exponentielles Nahfeldprofil überlappt, einzukoppeln.
Planarer Wellenleiter nach einem vorangegangenen Anspruch, wobei der optische Koppler eine Reihe von stufenweisen Abnahmen in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist und die erste optische Ummantelung entsprechende stufenweise Zunahmen in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist und wobei der optische Koppler dazu ausgebildet ist, einen Teil des Lichtstrahls, der ein Nahfeldprofil aufweist, das ein exponentielles Nahfeldprofil überlappt, zu koppeln.
Planarer Wellenleiter nach einem vorangegangenen Anspruch, wobei der optische Koppler eine Reihe von variierenden stufenweisen Abnahmen in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist und die erste optische Ummantelung entsprechende variierendes stufenweise Zunahmen in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist.
Planarer Wellenleiter nach Anspruch 4, wobei die variierenden stufenweisen Abnahmen in der Dicke eine variierende Höhe und Breite einer individuellen der stufenweisen Abnahmen in der Dicke aufweisen und wobei der optische Koppler dazu ausgebildet ist, einen Teil des Lichtstrahls, der ein Nahfeldprofil aufweist, bei dem ein Großteil des Nahfeldprofils ein exponentielles Nahfeldprofil überlappt, zu koppeln.
Planarer Wellenleiter nach einem vorangegangenen Anspruch, ferner aufweisend mindestens einen Abstandhalter, um einen Abstand zwischen dem Wellenleiterkern und dem optischen Koppler zu definieren, der ein Einkoppeln eines Teils eines Lichtstrahls, der ein Nahfeldprofil aufweist, das ein exponentielles Nahfeldprofil überlappt, in den Wellenleiterkern bereitstellt, und wobei die erste optische Ummantelung ein Flüssigkristallmaterial aufweist.
Planarer Wellenleiter nach Anspruch 6, aufweisend ein festes Füllmaterial, das sich zwischen dem Flüssigkristallmaterial und dem optischen Koppler befindet.
Planarer Wellenleiter nach einem vorangegangenen Anspruch, wobei der optische Koppler dazu ausgebildet ist, einen Freiraum-Lichtstrahl mit einem Gaußschen Profil mit einer Effizienz von mindestens 80 % zu koppeln.
Planarer Wellenleiter nach einem vorangegangenen Anspruch, wobei der optische Koppler ein zweites Koppelgebiet, das vom Leitgebiet getrennt ist, und eine stufenweise Zunahme in der Dicke zwischen dem zweiten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist und die erste optische Ummantelung eine stufenweise Abnahme in der Dicke zwischen dem zweiten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist, sodass eine Kopplung im zweiten Koppelgebiet erhöht wird, und wobei das zweite Koppelgebiet des optischen Kopplers in der Lage ist, einen Teil des Lichtstrahls, der von dem Wellenleiterkern geleitet wird, transversal auszukoppeln.
Planarer Wellenleiter nach Anspruch 9, wobei der optische Koppler eine Reihe von variierenden stufenweisen Zunahmen in der Dicke zwischen dem zweiten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist und die erste optische Ummantelung entsprechende variierende stufenweise Abnahmen in der Dicke zwischen dem zweiten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist.
Planarer Wellenleiter nach Anspruch 10, wobei die variierenden stufenweisen Zunahmen in der Dicke eine variierende Höhe und Breite von individuellen der stufenweisen Zunahmen in der Dicke aufweisen und wobei die variierenden stufenweisen Zunahmen in der Dicke angepasst werden können, sodass ein Profil eines ausgekoppelten Teils des Lichtstrahls, der von dem Wellenleiterkern geleitet wird, modifiziert wird.
Verfahren zum Koppeln eines Freiraum-Lichtstrahls zu einem planaren Wellenleiter, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Einkoppeln von Licht in einen Kern in einem ersten Gebiet des planaren Wellenleiters über einen optischen Koppler und eine erste Ummantelung mit einer ersten Dicke; und Leiten des eingekoppelten Lichts durch ein zweites Gebiet des planaren Wellenleiters, in dem die erste Ummantelung eine zweite Dicke größer als die erste Dicke aufweist, wobei sich mindestens eine Stufe zwischen der ersten Dicke und der zweiten Dicke in der ersten Ummantelung zwischen dem ersten und zweiten Gebiet des Wellenleiters befindet.
Verfahren nach Anspruch 12, aufweisend Auskoppeln von Licht vom Kern in einem dritten Gebiet des Wellenleiters, das durch das zweite Gebiet des Wellenleiters vom ersten Gebiet des Wellenleiters getrennt ist, über einen optischen Koppler und die erste Ummantelung eine dritte Dicke aufweist, die geringer als die zweite Dicke ist, wobei sich eine Stufe zwischen der zweiten Dicke und der dritten Dicke in der ersten Ummantelung zwischen dem zweiten und dritten Gebiet des Wellenleiters befindet.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, aufweisend Bereitstellen eines Abstandhalters, um einen Abstand zwischen einem Kern des planaren Wellenleiters und einem optischen Koppler im ersten Gebiet des Wellenleiters mechanisch zu definieren, sodass eine evaneszente Kopplung im ersten Gebiet des Wellenleiters bereitgestellt wird, und wobei die erste Ummantelung ein Flüssigkristallmaterial aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, aufweisend Bereitstellen eines festen Füllmaterials, das sich zwischen dem Flüssigkristallmaterial und dem optischen Koppler befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, aufweisend Bereitstellen eines optischen Kopplers mit einer gestuften Struktur, die eine Reihe von stufenweisen Abnahmen in der Dicke zwischen dem ersten Gebiet des Wellenleiters und dem zweiten Gebiet des Wellenleiters aufweist, und Bereitstellen einer ersten optischen Ummantelung mit einer entsprechenden gestuften Struktur einschließlich einer Reihe von stufenweisen Zunahmen in der Dicke zwischen dem ersten Gebiet des Wellenleiters und dem zweiten Gebiet des Wellenleiters.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei ein Abstand zwischen dem Kern des planaren Wellenleiters und der Länge des dritten Gebiets des Wellenleiters eine Größe und ein Profil des ausgekoppelten Teils des geleiteten Lichtstrahls bestimmen kann.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Wellenleiters, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bereitstellen eines optisch transparenten Substrats; Ätzen eines Teils des optisch transparenten Substrats, sodass mindestens eine stufenweise Abnahme in der Dicke zwischen einem ersten Koppelgebiet und einem Leitgebiet ausgebildet wird; Ablagern einer ersten optischen Ummantelung, die mindestens eine entsprechende stufenweise Zunahme in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet aufweist, auf die Oberfläche des optisch transparenten Substrats; Ablagern eines Kernmaterials, das auf die Oberfläche der ersten optischen Ummantelung gestapelt wird; Ablagern einer zweiten optischen Ummantelung, die auf die Oberfläche des Kernmaterials gestapelt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, aufweisend Bereitstellen von mindestens einem Abstandhalter, sodass ein Abstand zwischen einem Kern des planaren Wellenleiters und dem optischen Koppler im ersten Koppelgebiet bestimmt wird, und Bereitstellen eines Flüssigkristallmaterials angrenzend zu dem mindestens einen Abstandhalter.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, aufweisend Ätzen eines Teils des optisch transparenten Substrats, sodass eine Reihe von variierenden stufenweisen Abnahmen in der Dicke zwischen einem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet ausgebildet wird, und Ablagern einer ersten optischen Ummantelung mit einer Reihe von stufenweisen Zunahmen in der Dicke zwischen dem ersten Koppelgebiet und dem Leitgebiet.