DE102019115410B4 - optical device - Google Patents
optical device Download PDFInfo
- Publication number
- DE102019115410B4 DE102019115410B4 DE102019115410.3A DE102019115410A DE102019115410B4 DE 102019115410 B4 DE102019115410 B4 DE 102019115410B4 DE 102019115410 A DE102019115410 A DE 102019115410A DE 102019115410 B4 DE102019115410 B4 DE 102019115410B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- waveguide
- optical device
- taper structure
- segment
- reflection surface
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
- G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/35—Optical coupling means having switching means
- G02B6/351—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements
- G02B6/3512—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
- G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
- G02B6/4214—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical element having redirecting reflective means, e.g. mirrors, prisms for deflecting the radiation from horizontal to down- or upward direction toward a device
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/35—Optical coupling means having switching means
- G02B6/3564—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details
- G02B6/3566—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details involving bending a beam, e.g. with cantilever
Abstract
Optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters (7) an ein externes Medium (6) umfassend zumindest eine Taper-Struktur (2), wobeidie Taper-Struktur (2) ein Strahleneingangssegment (3) umfasst, wobei das Strahleneingangssegment (3) derart eingerichtet ist, einen Lichtstrahl (5) aus dem Wellenleiter (7) in die Taper-Struktur (2) einzukoppeln,die Taper-Struktur ein Strahlenausgangssegment (4) umfasst, wobei das Strahlenausgangssegment (4) derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl (5) zu fokussieren und in das externe Medium (6) einzukoppeln, unddie Taper-Struktur (2) zwischen dem Strahleneingangssegment (3) und dem Strahlenausgangssegment (4) zumindest eine erste Reflexionsfläche (8) umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche (8) derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl (5) aus der Ebene des Wellenleiters (7) heraus abzulenken,dadurch gekennzeichnet, dass sich an das Strahleneingangssegment (3) ein im Wesentlichen kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich (10) anschließt, wobei sich die Breite und die Höhe des kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereichs (10) linear vergrößern, und sich an den kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich (10) das Strahlenausgangssegment (4) anschließt, wobei das Strahlenausgangssegment (4) einen im Wesentlichen gewölbten Bereich (11) umfasst, wobei der im Wesentlichen gewölbte Bereich (11) die zumindest erste Reflexionsfläche (8) umfasst.Optical device for bidirectional coupling of a waveguide (7) to an external medium (6) comprising at least one taper structure (2), wherein the taper structure (2) comprises a beam input segment (3), the beam input segment (3) being set up in such a way coupling a light beam (5) from the waveguide (7) into the taper structure (2), the taper structure comprising a beam output segment (4), the beam output segment (4) being set up in such a way as to focus the light beam (5). and into the external medium (6), and the taper structure (2) between the beam input segment (3) and the beam output segment (4) comprises at least one first reflection surface (8), the first reflection surface (8) being set up in such a way that Deflecting the light beam (5) out of the plane of the waveguide (7), characterized in that the beam input segment (3) is adjoined by a substantially conical or pyramidal area (10), the width and height of the conical or pyramidal area increasing (10) increase linearly, and the conical or pyramidal area (10) is followed by the beam output segment (4), the beam output segment (4) comprising a substantially curved area (11), the substantially curved area (11) containing the at least first reflective surface (8).
Description
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium.The invention relates to an optical device for the bidirectional coupling of a waveguide to an external medium.
Der Gegenstand der Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.The subject matter of the invention is defined in the appended claims.
Im Bereich der Telekommunikation ist die bidirektionale Ankopplung an Wellenleiter aus optischen Glasfasern eine zentrale Herausforderung. Wellenleiter entsprechen elektrischen Verbindungen auf integrierten optischen Schaltkreisen und sind damit essentielle Bausteine für die funktionale Photonik. Sie erlauben es insbesondere komplexe Systeme zu miniaturisieren und sind somit eine Schlüsseltechnologie. Da die geführten Moden in Wellenleitern und Glasfasern jedoch sehr unterschiedliche Größen aufweisen ist eine direkte Kopplung mit hohen Verlusten behaftet. Um diese zu umgehen sind Modenkonverter notwendig. Da in Wellenleitern optische Signale in der Ebene geführt werden ist es wünschenswert die Strahlrichtung zu ändern, da sonst nur die Ränder des Chips zur Kopplung verwendet werden können. Diese Umlenkung kann mit planarer Geometrie nur über diffraktive Elemente oder Interferenzphänomene erfolgen wodurch die optische Bandbreite stark limitiert ist. Eine hohe Bandbreite ist jedoch notwendig um hohe Datenraten zu erhalten und Kompatibilität mit heutigen Datenformaten zu erhalten. Zudem ist die Ausrichtung der Glasfasern gegenüber dem Chip sehr empfindlich auf minimalem Versatz und erfordert daher eine hohe Platziergenauigkeit welche mit hohen Kosten verbunden ist. Laufende Kontaktierverfahren sind somit verlustbehaftet und nicht für eine Massenproduktion geeignet. Für alle optischen Systeme mit Anwendungsfeldern in der Telekommunikation ist jedoch eine permanente Faserkopplung notwendig für ein effizientes Packaging. Daher besteht momentan keine Möglichkeit effizient mit hoher Bandbreite und entspannten Toleranzen an Wellenleiter zu koppeln, insbesondere nicht an eine große Anzahl an Wellenleiter. Weiterhin können existierende Ankopplungsstellen nicht durchgestimmt werden. Da Fertigungstoleranzen bestehen ist eine Anpassung nach der Fertigung notwendig um eine optimale Kopplung zu erreichen.In the field of telecommunications, bidirectional coupling to waveguides made of optical glass fibers is a key challenge. Waveguides correspond to electrical connections on integrated optical circuits and are therefore essential building blocks for functional photonics. In particular, they allow complex systems to be miniaturized and are therefore a key technology. However, since the guided modes in waveguides and glass fibers have very different sizes, direct coupling is associated with high losses. Mode converters are necessary to avoid this. Since optical signals are guided in the plane in waveguides, it is desirable to change the beam direction, since otherwise only the edges of the chip can be used for coupling. With planar geometry, this deflection can only take place via diffractive elements or interference phenomena, which severely limits the optical bandwidth. However, a high bandwidth is necessary in order to obtain high data rates and to maintain compatibility with today's data formats. In addition, the alignment of the glass fibers with respect to the chip is very sensitive to minimal misalignment and therefore requires high placement accuracy, which is associated with high costs. Ongoing contacting methods are therefore lossy and not suitable for mass production. However, for all optical systems used in telecommunications applications, permanent fiber coupling is necessary for efficient packaging. Therefore, there is currently no way to efficiently couple to waveguides with high bandwidth and relaxed tolerances, especially large numbers of waveguides. Furthermore, existing coupling points cannot be tuned through. Since there are manufacturing tolerances, an adjustment after manufacture is necessary in order to achieve an optimal coupling.
Die Kopplung über die Chipoberseite ist die bevorzugte Methode. Diese erlaubt es viele Bauelemente anzusprechen was von zentraler Bedeutung ist um einen hohen Integrationsgrad zu erhalten. Aus dem Stand der Technik sind dazu zwei Verfahren bekannt, zum einen die Kopplung über Gitterelemente und zum anderen die Kopplung über Fasertaper im evaneszenten Feld.Top-side coupling is the preferred method. This allows many components to be addressed, which is of central importance in order to obtain a high degree of integration. Two methods for this are known from the prior art, on the one hand coupling via grating elements and on the other hand coupling via fiber tapers in the evanescent field.
Gitterkoppler nutzen diffraktive Elemente um eine Kopplung aus der Ebene zu ermöglichen. Diese Koppler erreichen Effizienzen von typischerweise 30%. Höhere Effizienzen sind möglich mit verbesserten Designs und aufwendigerer Fertigung. Der primäre Nachteil von Gitterkopplern ist die geringe Bandbreite im Bereich von einigen 10 nm. Damit können nur spezielle Wellenlängenbereiche abgedeckt werden. Außerdem sind Gitterkoppler sehr empfindlich für laterale Verschiebungen und müssen daher aufwendig gegenüber Fasern oder Linsen ausgerichtet werden. Damit ist eine automatische Ankopplung an Chips nur schwer möglich.Grating couplers use diffractive elements to allow out-of-plane coupling. These couplers typically achieve efficiencies of 30%. Higher efficiencies are possible with improved designs and more elaborate manufacturing. The primary disadvantage of grating couplers is the low bandwidth in the range of a few 10 nm. This means that only specific wavelength ranges can be covered. In addition, grating couplers are very sensitive to lateral displacements and therefore have to be aligned with respect to fibers or lenses in a complex manner. This means that automatic coupling to chips is only possible with difficulty.
Fasertaper verwenden Glasfasern mit reduziertem Durchmesser. Diese Taper werden von oben auf die Wellenleiter gelegt und koppeln an diese im optischen Nahfeld. Daher ist bei dieser Methode die Breite des Wellenleiters ausschlaggebend für die Platzierungstoleranz. Diese liegt somit unter einem Mikrometer und ist daher extrem anspruchsvoll. Die Kopplungsbandbreite ist in diesem Fall hoch, da adiabatisch gekoppelt wird. Über die anspruchsvolle Platzierung kann jedoch nicht an viele Wellenleiter gekoppelt werden, da jede einzelne Faser separat platziert werden muss. Weiterhin können keine Faserarrays verwendet werden, so dass eine parallele Ankopplung nicht möglich ist. Zudem ist die mechanische Stabilität der Kopplung begrenzt. In beiden Fällen ist keine Durchstimmbarkeit möglich. D.h. nach der mechanischen Platzierung kann die Ankopplung an die Glasfasern nicht weiter verbessert werden. Gerade bei genauen Platzierungsanforderungen leidet jedoch die Kopplungseffizienz signifikant darunter.Fiber tapers use reduced diameter glass fibers. These tapers are placed on the waveguides from above and couple to them in the optical near field. Therefore, with this method, the width of the waveguide determines the placement tolerance. This is therefore less than one micrometer and is therefore extremely demanding. In this case, the coupling bandwidth is high because the coupling is adiabatic. However, the challenging placement cannot be coupled to many waveguides since each individual fiber must be placed separately. Furthermore, no fiber arrays can be used, so that a parallel coupling is not possible. In addition, the mechanical stability of the coupling is limited. In both cases tunability is not possible. This means that after the mechanical placement, the coupling to the glass fibers cannot be further improved. However, the coupling efficiency suffers significantly, especially in the case of precise placement requirements.
Aus der
In
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kopplungsverfahren verlangen eine aufwendige Ausrichtung der Glasfasern gegenüber den Kopplungselementen. Dies ist aufwendig und daher kostspielig. Da jedes Bauelement separat gegenüber den Glasfasern ausgerichtet werden muss ist eine automatische Platzierung schwierig und langsam und daher teuer. Weiterhin führen die geringen Platzierungstoleranzen dazu, dass die Bauteile über die Zeit degradieren, wenn es mechanischen Verzug oder Versatz gegenüber dem optischen Chip gibt. Daher ist eine Platzierungstechnik notwendig, die höhere Toleranzen bietet und gleichzeitig für viele Bauteile parallel verwendet werden kann. Dies erfordert im Wesentlichen eine Ankopplung von der Chipoberseite über Faserarrays.The coupling methods known from the prior art require a complex alignment of the glass fibers with respect to the coupling elements. This is complex and therefore expensive. Because each component must be separately aligned with the optical fibers, automated placement is difficult and slow, and therefore expensive. Furthermore, the tight placement tolerances mean that the components will degrade over time if there is mechanical distortion or misalignment relative to the optical chip. Therefore, a placement technique is required that offers higher tolerances and at the same time can be used for many components in parallel. This essentially requires coupling from the top of the chip via fiber arrays.
Ein weiterer zentraler Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kopplungsverfahren ist die geringe Kopplungseffizienz von Gitterkopplern. Gerade für Anwendungen in welchen mehrere Verbindungen an Chips notwendig sind können Verluste nicht akzeptiert werden. Another central disadvantage of the coupling methods known from the prior art is the low coupling efficiency of grating couplers. Losses cannot be accepted, especially for applications in which several connections to chips are necessary.
Daher ist eine hohe Kopplungseffizienz essentiell. Eine hohe Bandbreite ist besonders für Anwendungen in der Spektroskopie und für die Datenübertragung notwendig. Hierbei ist häufig die Ankopplung an viele Wellenleiter gleichzeitig nötig um mehrere Kanäle zu realisieren. Dies ist mit heutigen Verfahren nicht möglich. Ebenso kann der Stand der Technik eine Durchstimmung nach der Fertigung nicht realisieren, die aber notwendig ist um auf langfristige Drift und Versatz zu reagieren.Therefore, a high coupling efficiency is essential. A high bandwidth is particularly necessary for applications in spectroscopy and for data transmission. In this case, it is often necessary to couple to many waveguides at the same time in order to implement several channels. This is not possible with today's methods. Likewise, the prior art cannot provide post-manufacture tuning, which is necessary to respond to long-term drift and offset.
Dementsprechend soll mit der vorliegenden Erfindung primär eine optische Vorrichtung bereitgestellt werden, wobei die Kopplungsbandbreite der optischen Vorrichtung sehr breit ist und ein weites Spektrum an Wellenlängen über die optische Vorrichtung in ein externes Medium eingekoppelt werden kann. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, viele Glasfasern verlustarm mit erreichbaren Platzierungstoleranzen an einen Wellenleiter anzukoppeln.Accordingly, the primary aim of the present invention is to provide an optical device, wherein the coupling bandwidth of the optical device is very wide and a wide spectrum of wavelengths can be coupled into an external medium via the optical device. Furthermore, the invention is based on the object of coupling many glass fibers to a waveguide with low losses and with achievable placement tolerances.
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium bereit. Die optische Vorrichtung umfasst gemäß Oberbegriff zumindest eine Taper-Struktur, wobei die Taper-Struktur ein Strahleneingangssegment umfasst, wobei das Strahleneingangssegment derart eingerichtet ist, einen Lichtstrahl aus dem Wellenleiter in die Taper-Struktur einzukoppeln, die Taper-Struktur ein Strahlenausgangssegment umfasst, wobei das Strahlenausgangssegment derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl zu fokussieren und in das externe Medium einzukoppeln, die Taper-Struktur zwischen dem Strahleneingangssegment und dem Strahlenausgangssegment zumindest eine erste Reflexionsfläche umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl aus der Ebene des Wellenleiters heraus abzulenken.In order to achieve the above object, the present invention provides an optical device for bidirectionally coupling a waveguide to an external medium. According to the preamble, the optical device comprises at least one taper structure, the taper structure comprising a beam input segment, the beam input segment being set up in such a way as to couple a light beam from the waveguide into the taper structure, the taper structure comprising a beam output segment, the beam output segment being set up in such a way as to focus the light beam and couple it into the external medium, the taper structure between the beam input segment and the beam output segment comprising at least one first reflection surface, the first reflection surface comprising at least one surface is set up in such a way that the light beam is deflected out of the plane of the waveguide.
Die Ankopplung des Wellenleiters an das externe Medium kann insbesondere bidirektional erfolgen. Da der Strahlengang eines Lichtstrahls umkehrbar ist, bedeutet bidirektional im Zusammenhang mit dieser Erfindung, dass ein Lichtstrahl nicht nur mittels der optischen Vorrichtung aus dem Wellenleiter in das externe Medium einkoppelbar ist, sondern dass der Lichtstrahl auch mittels der optischen Vorrichtung aus dem externen Medium in den Wellenleiter einkoppelbar ist. Das Strahlenausgangssegment der zuvor beschriebenen optischen Vorrichtung ist dabei derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl aus dem externe Medium in die Taper-Struktur einzukoppeln, wobei der Lichtstrahl defokussiert wird, wobei die Taper-Struktur weiterhin zwischen dem Strahlenausgangssegment und dem Strahleneingangssegment zumindest eine erste Reflexionsfläche umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche derart eingerichtet ist, den vom Strahlenausgangssegment kommenden Lichtstrahl in die Ebene des Wellenleiters hinein abzulenken. Das Strahleneingangssegment der zuvor beschriebenen optischen Vorrichtung ist derart eingerichtet, den Lichtstrahl aus der Taper-Struktur in den Wellenleiter einzukoppeln.In particular, the waveguide can be coupled to the external medium bidirectionally. Since the optical path of a light beam is reversible, bidirectional means in the context of this invention that a light beam can not only be coupled out of the waveguide into the external medium by means of the optical device, but that the light beam can also be coupled out of the external medium into the waveguide by means of the optical device. The beam output segment of the optical device described above is set up in such a way that the light beam from the external medium is coupled into the taper structure, with the light beam being defocused, with the taper structure also comprising at least one first reflection surface between the beam output segment and the beam input segment, with the first reflection surface being set up in such a way that the light beam coming from the beam output segment is deflected into the plane of the waveguide. The beam input segment of the optical device described above is set up in such a way that the light beam from the taper structure is coupled into the waveguide.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist eine optische Vorrichtung bereitzustellen, welche die Modenanpassung von planaren Wellenleitern an ein externes Medium beispielsweise an eine optische Faser oder Mikroskopobjektive ermöglicht. Da der Strahlengang des Lichtstrahls umkehrbar ist, lässt sich somit auch das externe Medium an einen planaren Wellenleiter anpassen. Die Anpassung erfolgt dabei über eine dreidimensionale Taper-Struktur, die z.B. mittels direktem Laserschreiben (DLW) generiert wird. Die optische Vorrichtung führt eine Änderung der Strahlrichtung der in der Ebene verlaufender Strahlen in die vertikale Dimension oder auch umgekehrt aus. Dazu wird insbesondere eine Reflexion des Lichtstrahls an einer Reflexionsfläche ausgenutzt.The basic idea of the present invention is to provide an optical device which enables mode adaptation of planar waveguides to an external medium, for example to an optical fiber or microscope objectives. Since the optical path of the light beam can be reversed, the external medium can also be adapted to a planar waveguide. The adaptation takes place via a three-dimensional taper structure, which is generated, for example, by means of direct laser writing (DLW). The optical device performs a change in the beam direction of the in-plane beams to the vertical dimension or vice versa. For this purpose, in particular, a reflection of the light beam on a reflection surface is used.
Die optische Vorrichtung verwendet keine wellenlängenselektiven (insbesondere diffraktiven) Elemente. Daher ist die Kopplungsbandbreite sehr breit und ein weites Spektrum an Wellenlängen kann über den Koppler in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Die Bandbreite ist nur durch das Transparenzfenster des Kopplers und des Wellenleiters beschränkt. Damit ist die Bandbreite um Größenordnungen besser als bei herkömmlichen Gitterkopplern oder andere diffraktiven Elementen. Die optische Vorrichtung ist insbesondere nicht durch Interferenzphänomene limitiert und bietet daher eine enorme Bandbreite. Weiterhin ist die optische Vorrichtung Plattform- sowie Polarisationsunabhängig und kann zur Ankopplung beispielsweise an beliebige Wellenleiter verwendet werden, was enorme Flexibilität mit sich bringt.The optical device does not use any wavelength-selective (particularly diffractive) elements. Therefore, the coupling bandwidth is very wide and a wide spectrum of wavelengths can be coupled into the waveguide via the coupler. The bandwidth is only through the transparency window of the coupler and the waveguide limited. This means that the bandwidth is orders of magnitude better than that of conventional grating couplers or other diffractive elements. In particular, the optical device is not limited by interference phenomena and therefore offers an enormous bandwidth. Furthermore, the optical device is independent of platform and polarization and can be used for coupling to any waveguide, for example, which entails enormous flexibility.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Reflexionsfläche eine Totalreflexionsfläche ist. Die Totalreflexion hat den Vorteil, dass sie eine verlustfreie Strahlablenkung erlaubt.In a preferred embodiment of the invention, the first reflection surface is a total reflection surface. Total reflection has the advantage that it allows lossless beam deflection.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Höhe der Taper-Struktur im Bereich des Strahleneingangssegments kontinuierlich verjüngt ist, während die Breite konstant gehalten ist, wodurch ein Hohlleiterbereich gebildet ist.In a further preferred embodiment of the invention, the height of the taper structure in the area of the beam input segment tapers continuously, while the width is kept constant, as a result of which a waveguide area is formed.
Erfindungsgemäß schließt sich an das Strahleneingangssegment ein im Wesentlichen kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich an, wobei sich die Breite und die Höhe des kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereichs linear vergrößern.According to the invention, the beam input segment is adjoined by a substantially conical or pyramidal area, with the width and the height of the conical or pyramidal area increasing linearly.
Erfindungsgemäß schließt sich an den kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich das Strahlenausgangssegment an, wobei das Strahlenausgangssegment einen im Wesentlichen gewölbten Bereich umfasst, wobei der im Wesentlichen gewölbte Bereich die zumindest erste Reflexionsfläche umfasst.According to the invention, the conical or pyramidal area is adjoined by the beam output segment, with the beam output segment comprising an essentially curved area, with the essentially curved area comprising the at least first reflection surface.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Taper-Struktur zumindest eine weitere Reflexionsfläche.In a preferred embodiment of the invention, the taper structure includes at least one additional reflection surface.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Strahlenausgangssegment eine kollimierende Linse. Durch die Strahlkollimierung werden die Ausrichte-Toleranzen von dem externen Medium gegenüber der optischen Vorrichtung entspannt. Dies ermöglicht die Faserkopplung mit industriellen Methoden ohne die Feinjustierung einzelner optischer Vorrichtungen.In a further preferred embodiment of the invention, the beam output segment comprises a collimating lens. Beam collimation relaxes the alignment tolerances of the external medium to the optical device. This enables fiber coupling using industrial methods without the fine adjustment of individual optical devices.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das externe Medium eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv.In a preferred embodiment of the invention, the external medium is an optical fiber or a microscope objective.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter ein planarer Wellenleiter.In a further preferred embodiment of the invention, the waveguide is a planar waveguide.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter auf einem Substrat angeordnet.In a preferred embodiment of the invention, the waveguide is arranged on a substrate.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter als freistehender Wellenleiter-Arm ausgebildet. Durch den freistehenden Wellenleiter-Arm kann durch die Verstellung des Neigungswinkels des Wellenleiter-Arms simultan der Ausgangswinkel der optischen Vorrichtung eingestellt werden.In a further preferred embodiment of the invention, the waveguide is designed as a free-standing waveguide arm. With the free-standing waveguide arm, by adjusting the inclination angle of the waveguide arm, the output angle of the optical device can be adjusted simultaneously.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Taper-Struktur aus einem Polymer gebildet.In a preferred embodiment of the invention, the taper structure is formed from a polymer.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die optische Vorrichtung mittels 3D Druck insbesondere mittels direktem Laserschreiben hergestellt.In a further preferred embodiment of the invention, the optical device is produced by means of 3D printing, in particular by means of direct laser writing.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter Teil eines Wellenleiterarrays.In a preferred embodiment of the invention, the waveguide is part of a waveguide array.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2 eine schematische Darstellung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
3 eine schematische Draufsicht eines Wellenleiterarrays mit einer Vielzahl von Wellenleitern und optischen Vorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
4 eine schematische Darstellung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 a schematic representation of an optical device for bidirectional coupling of a waveguide to an external medium according to a first embodiment of the invention, -
2 a schematic representation of an optical device for bidirectional coupling of a waveguide to an external medium according to a second embodiment of the invention, -
3 a schematic plan view of a waveguide array with a plurality of waveguides and optical devices according to an embodiment of the invention, -
4 a schematic representation of an optical device for bidirectional coupling of a waveguide to an external medium according to a third embodiment of the invention.
Die Taper-Struktur 2 wirkt zum einen als Modentransformator, der die sehr kleine Mode eines Wellenleiters 7 an die breite Strahlform optischer Glasfasern oder Mikroskope 6 anpasst. Andererseits erlaubt die optische Vorrichtung 1 es, eine Strahlablenkung aus der Ebene zu erreichen, so dass Wellenleiter 7 von der Chipoberfläche 16 zugänglich werden. Dies erfolgt über mehrere Elemente, die in 3D Freiformschreiben erzeugt werden können. Ein adiabatischer Übergang der Wellenleitermode in einen in der optischen Vorrichtung frei propagierenden Gausschen Strahl erfolgt mittels der Taper-Struktur 2. Diese weitet das Strahleneingangssegment 3, das an den Durchmesser des Wellenleiters 7 angepasst ist auf, um Verluste an den Rändern zu verhindern. Die Strahlumlenkung erfolgt über Reflexionsflächen 8. Aufgrund des Brechungsindexkontrastes zwischen dem Medium der Taper-Struktur und dem umgebenden Medium kommt es zur Totalreflexion, die ohne Verluste erfolgt. Der Brechungsindexkontrast bestimmt darin den maximalen Neigungswinkel der erreicht werden kann. Wenn höhere Winkel erreicht werden sollen können mehrfach-Reflexionen eingesetzt werden, welche ebenfalls verlustfrei erfolgen. Nach der Reflexion wird der Strahl 5 kollimiert und an das anschließende an das externe Medium bzw. das Modenführungselement angepasst, welches eine Glasfaser oder ein Mikroskopobjektiv sein kann.On the one hand, the
Der Wellenleiter kann beispielsweise aus Siliziumnitrid hergestellt sein. Das Strahleneingangssegment 4 kann beispielsweise aus einem Polymer bestehen und einen Polymer-Wellenleiter umfassen. Am Anfang des Strahleneingangssegments 4 wird für die Einkopplung des Lichtstrahls aus dem Wellenleiter 7 eine Eigenmodenquelle eingestellt, um die Lichtleistung eines Siliziumnitrids zu Polymer-Wellenleiter-Mode-Konverters nachzuahmen, der sich unmittelbar vor dem Strahleingangssegment 3 befindet. Der zunächst 0,5 µm breite Siliziumnitrid-Wellenleiter 7 ist linear nach unten verjüngt, während die Höhe des Polymer-Wellenleiters 4 kontinuierlich auf schließlich 1 µm verjüngt wird, während die Breite auf 1 µm konstant gehalten wird. Dieser Querschnitt des Polymerhohlleiters 3 wird gewählt, da aufgrund der Abschottung durch das untenstehende Substrat 12 aus Siliziumoxid nur die Grundmodi unterstützt werden. Daher ermöglicht es eine adiabatische Umwandlung der beiden Grundmodi des Siliziumnitrid-Wellenleiters 7 in die beiden Grundmodi des Polymer-Wellenleiters 3. Nach dieser Schnittstelle zur Polymerstruktur beginnt der kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich 10 der Taper-Struktur 2. Hier wird die Breite und Höhe des Polymerhohlleiters 3 linear vergrößert, bis der kegelförmige oder pyramidenförmige Bereich 10 auf den im Wesentlichen gewölbte Bereich 11 trifft. In diesem Bereich nimmt der Durchmesser des Strahls kontinuierlich zu und behält seine Gaussform. Da diese Erweiterung zunächst adiabatisch ist, ermöglicht dieses Schema eine getrennte Optimierung des hauptsächlich auf die Wellenlänge abzustimmenden Siliziumnitrid-Polymer-Wellenleiter-Modus-Konverters und der endgültigen Taper-Struktur 2, bei der der Modenfelddurchmesser der Faser, mit der das Licht gekoppelt wird, der zentrale Parameter ist. Wenn der Strahl nach der Verjüngung in den gewölbten Bereich 11 eintritt, breitet sich der Strahl freiraumartig aus. Aufgrund des relativ großen Strahldurchmessers im Vergleich zur Wegstrecke bis zur Linse des gewölbten Bereichs 11 weist der Strahl keine große Divergenz auf und breitet sich direkt zur Reflexionsfläche 8 aus, da dieser Abstand im Vergleich zur Rayleigh-Länge des Strahls am Ende des Kegels klein ist. Der Winkel der Reflexionsfläche 8 kann beispielsweise auf 39° in Bezug auf die Chipebene 16 gewählt werden, um dem 12° Winkel zu entsprechen, unter dem das 8° polierte Faserarray das Licht abgibt und sammelt. Nach der Reflexionsfläche 8 breitet sich der Lichtstrahl 5 in Richtung des gewölbten Bereichs 11 aus. Der gewölbte Bereich 11 dient dazu den divergierenden Strahl zu fokussieren und in das externe Medium 6 einzukoppeln.The waveguide can be made of silicon nitride, for example. The
Die Taper-Struktur 2 der optischen Vorrichtung 1 kann beispielsweise mit einem Direkt-Laser-Schreibsystem (Nanoscribe Professional GT), einem 63-fachen Objektiv und IP-Dip als Resist hergestellt werden.The
Zusätzlich ist die Kopplungseffizienz unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichtes. Dies bedeutet, dass die optische Vorrichtung im Gegensatz zu herkömmlichen Gitterkopplern Licht beider üblichen Polarisationen (TE und TM) mit der gleichen Effizienz einkoppeln kann, solange der anschließende Wellenleiter diese ebenfalls unterstützt.In addition, the coupling efficiency is independent of the polarization of the incident light. This means that, unlike traditional grating couplers, the optical device can couple light of both common polarizations (TE and TM) with the same efficiency as long as the subsequent waveguide also supports them.
Über die freie Wahl des Einfallwinkels kann die optische Vorrichtung 1 an beliebige Faseranordnungen angekoppelt werden. So kann direkt unter 90° eingekoppelt werden, was für die mechanische Verbindung von Fasern 6 und Chip 16 von Vorteil ist. Für gerne eingesetzte polierte Faserfacetten, die unter Winkeln angeschliffen sind um Rückreflexionen zu vermeiden, kann ebenfalls ein optimaler Kopplungswinkel gewählt werden. Auch kann unter flachen Winkeln eingekoppelt werden, wenn die Faser nahe der Chipoberfläche geführt werden soll.The
Die Form der Taper-Struktur 2 der optischen Vorrichtung 1 ermöglicht den Einsatz von Totalreflexion für die Strahlumlenkung in einem integrierten Bauteil. Damit kann direkt aus beliebigen Winkeln (und insbesondere vertikal) an Wellenleiter gekoppelt werden, was ein wesentlicher Vorteil gegenüber anderen Kopplungsmethoden (wie z.B. Seiteneinkopplung) ist. Andere vertikale Kopplungsmethoden (grating coupler) sind auf die Diffraktionswinkel der planaren Strukturen beschränkt und können daher insbesondere nur schlecht unter 90° angesprochen werden.The shape of the
Weiterhin ist das Konzept mechanisch stabil und robust gegenüber Erschütterungen oder externen Störeinflüssen bei der Verwendung auf einem Chip 16.Furthermore, the concept is mechanically stable and robust against shocks or external interference when used on a
Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden von der Europäischen Union (H2020-EU.1.1.) unter der Fördervereinbarung Nr. 724707 (PINQS) finanziert.Work leading to this invention was funded by the European Union (H2020-EU.1.1.) under Grant Agreement No. 724707 (PINQS).
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- optische Vorrichtungoptical device
- 22
- Taper-Strukturtaper structure
- 33
- Strahleneingangssegmentbeam entrance segment
- 44
- Strahlenausgangssegmentbeam exit segment
- 55
- Lichtstrahlbeam of light
- 66
- externes Mediumexternal medium
- 77
- Wellenleiterwaveguide
- 88th
- erste Reflexionsflächefirst reflection surface
- 99
- zweite Reflexionsflächesecond reflection surface
- 1010
- kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereichconical or pyramidal area
- 1111
- gewölbter Bereicharched area
- 1212
- Substratsubstrate
- 1313
- Wellenleiterarraywaveguide array
- 1414
- freistehender Wellenleiter-Armfree-standing waveguide arm
- 1515
- Mediummedium
Claims (12)
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019115410.3A DE102019115410B4 (en) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | optical device |
EP20733207.3A EP3997495A1 (en) | 2019-06-06 | 2020-06-04 | Optical device |
PCT/EP2020/065462 WO2020245259A1 (en) | 2019-06-06 | 2020-06-04 | Optical device |
CA3165847A CA3165847A1 (en) | 2019-06-06 | 2020-06-04 | Optical device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019115410.3A DE102019115410B4 (en) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | optical device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102019115410A1 DE102019115410A1 (en) | 2020-12-10 |
DE102019115410B4 true DE102019115410B4 (en) | 2023-07-27 |
Family
ID=71096667
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102019115410.3A Active DE102019115410B4 (en) | 2019-06-06 | 2019-06-06 | optical device |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3997495A1 (en) |
CA (1) | CA3165847A1 (en) |
DE (1) | DE102019115410B4 (en) |
WO (1) | WO2020245259A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2442165B1 (en) | 2010-10-15 | 2015-04-15 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Coupling methods and systems using a taper |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7646949B2 (en) * | 2007-07-27 | 2010-01-12 | Kotura, Inc. | Efficient transfer of light signals between optical devices |
US20190041582A1 (en) * | 2018-05-15 | 2019-02-07 | Intel Corporation | Polymer optical coupler |
-
2019
- 2019-06-06 DE DE102019115410.3A patent/DE102019115410B4/en active Active
-
2020
- 2020-06-04 CA CA3165847A patent/CA3165847A1/en active Pending
- 2020-06-04 EP EP20733207.3A patent/EP3997495A1/en active Pending
- 2020-06-04 WO PCT/EP2020/065462 patent/WO2020245259A1/en unknown
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2442165B1 (en) | 2010-10-15 | 2015-04-15 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Coupling methods and systems using a taper |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
„Gehring, H. [et.al.]: Low-loss fiber-to-chip couplers with ultrawide optical bandwidth. APL Photonics 4, 010801 (2019), S. 010801-1 bis 010801-7" |
GEHRING, H. [et.al.]: Low-loss fiber-to-chip couplers with ultrawide optical bandwidth. APL Photonics 4, 010801 (2019), S. 010801-1 bis 010801-7, ISSN 2378-0967. |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3997495A1 (en) | 2022-05-18 |
CA3165847A1 (en) | 2020-12-10 |
DE102019115410A1 (en) | 2020-12-10 |
WO2020245259A1 (en) | 2020-12-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3535615B1 (en) | Method for producing an optical system and optical system | |
DE60110901T2 (en) | FIBER COUPLER, SYSTEM AND RELATED METHODS FOR REDUCING REVERSE REFLECTIONS | |
DE10238741A1 (en) | Planar optical component and coupling device for coupling light between a planar optical component and an optical component | |
EP0383138A2 (en) | Device for the direct optical reception of a plurality of wave lengths | |
EP0682279A1 (en) | Device for coupling an optoelectronic component and an optical fibre | |
DE19601955A1 (en) | Optoelectronic transmitter module | |
EP0890121A2 (en) | Integrated optical beam spread transformer | |
DE10260628A1 (en) | collimator | |
DE10320152B4 (en) | Optic fiber coupler with extended alignment tolerance | |
DE69924391T2 (en) | LIGHTING SYSTEM WITH EDGE-LAMINATED WAVEGUIDE AND SEPARATE COMPONENTS FOR LIGHT UNLOCKING AND DEFLECTION | |
DE10054372B4 (en) | Assembly for multiplexing and / or demultiplexing optical signals | |
DE102019115410B4 (en) | optical device | |
EP1714109B1 (en) | Confocal distance sensor | |
DE102019009399B4 (en) | Optical device | |
WO2010040726A1 (en) | Compact multiplexer/demultiplexer | |
DE102004038530B3 (en) | Method and device for producing an optical connection between an optoelectronic component and an optical waveguide | |
WO2001051975A1 (en) | Optic coupling system | |
DE19711559A1 (en) | Optical multiple switch | |
DE112019002231T5 (en) | LIGHTWAVE BRIDGE ADAPTER | |
EP0783715B1 (en) | Optical coupling arrangement | |
EP0958520A1 (en) | Switching arrangement for switching and coupling a light beam into at least one output fibre | |
DE102012025565B4 (en) | An optical coupling system comprising an optical coupler and a translucent outer medium, and making and using such a system | |
DE4208278A1 (en) | Integrated optical component eg modulator or switch - provides polymer optical conductor running on polymer material filling positioning slanted trench at connection with glass fibre | |
DE102008056128A1 (en) | Focusing- and/or coupling lens for coupling laser beam of diode laser into fiber, has short cylinder lens, where distance between cylinder and focusing lenses maximally corresponds to preset times of sum of its focal widths in slow axis | |
EP1332395B1 (en) | Optical signal transmission system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G02B0006260000 Ipc: G02B0006300000 |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: PIXEL PHOTONICS GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: WESTFAELISCHE WILHELMS-UNIVERSITAET MUENSTER, 48149 MUENSTER, DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: PELSTER BEHRENDS PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R130 | Divisional application to |
Ref document number: 102019009399 Country of ref document: DE |