DE102019115410B4 - optical device - Google Patents

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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 EP 2 442 165 B1 ist eine optische Vorrichtung zum Handhaben eines Strahlungs-Strahls bekannt, wobei die optische Vorrichtung ein Halbleiterplättchen umfasst, umfassend einen integrierten optischen Halbleiter-Wellenleiterkern, integriert auf dem Halbleiterplättchen, und einen mindestens teilweise überlagernden Wellenleiter, umfassend mindestens eine erste Abschrägung, geformt zum Koppeln des Strahlungs-Strahls zwischen dem integrierten optischen Halbleiter-Wellenleiterkern und einem externen Medium, wobei die erste Abschrägung eine Eintritts-/Austritts-Seitenfläche zum Empfangen/Abgeben eines Strahlungs-Strahls von/zu dem externen Medium aufweist, wobei die Seitenfläche der ersten Abschrägung von der Kante des Halbleiterplättchens um eine Distanz d beabstandet ist, wobei die Distanz d mindestens 1 µm und weniger als 200 µm beträgt.From the EP 2 442 165 B1 an optical device for handling a radiation beam is known, the optical device comprising a semiconductor die comprising an integrated optical semiconductor waveguide core integrated on the semiconductor die and an at least partially overlying waveguide comprising at least one first slant shaped for coupling the radiation ray between the integrated optical semiconductor waveguide core and an external medium, the first slant having an entrance/exit side surface for receiving/ejecting a radiation beam from/to the external medium, the side surface of the first bevel being spaced from the edge of the semiconductor die by a distance d, the distance d being at least 1 µm and less than 200 µm.

In „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" wird eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters offenbart, bei der die Ablenkung des Lichtstrahls aus der Ebene des Wellenleiters heraus durch eine Biegung aus der Ebene heraus („out-of-plane bend“) erfolgt.In "Gehring, H. [et.al.]: Low-loss fiber-to-chip couplers with ultrawide optical bandwidth. APL Photonics 4, 010801 (2019), pp. 010801-1 to 010801-7" discloses an optical device for bidirectional coupling of a waveguide, in which the light beam is deflected out of the plane of the waveguide by an out-of-plane bend.

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.
Show it:
  • 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.

1 ist eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die optische Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Taper-Struktur 2, wobei sich die Taper-Struktur 2 grob in zwei Teile unterteilen lässt: ein Strahleneingangssegment 3, wobei das Strahleneingangssegment 3 zur Einkopplung eines Lichtstrahls 5 aus dem Wellenleiter 7 in die Taper-Struktur 2 dient und ein Strahlenausgangssegment 4, wobei das Strahlenausgangssegment 4 zur Fokussierung und Einkopplung des Lichtstrahls 5 in das externe Medium 6 dient. Die Einkopplung des Lichtstrahls 5 kann insbesondere bidirektional erfolgen. Da bei der optischen Vorrichtung 1 der Strahlengang des Lichtstrahls 5 umkehrbar ist, kann der Lichtstrahl 5 somit auch aus dem externen Medium 6 mittels der optischen Vorrichtung 1 in den Wellenleiter 7 eingekoppelt werden. Der Lichtstrahl 5 wird dabei aus dem externen Medium 6 in das Strahlausgangssegment 4 eingekoppelt und defokussiert. Der Lichtstrahl 5 wird dann mittels der ersten Reflexionsfläche 8 in die Ebene des Wellenleiters 7 hinein zum Strahleneingangssegment 3 hin abgelenkt und in den Wellenleiter 7 eingekoppelt. Das externe Medium 6 kann beispielsweise eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv sein. Das Strahleneingangssegment 3 umfasst bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich 10. Das Strahlenausgangssegment 4 umfasst dabei einen im Wesentlichen gewölbten Bereich 11, wobei der gewölbte Bereich 11 eine erste Reflexionsfläche 8 umfasst. Wie in 1 im Querschnitt gezeigt wird ein planarer Wellenleiter 7 an die Taper-Struktur 2 gekoppelt. Im Wellenleiter 7 propagierendes Licht wird zunächst in der Strahlgröße durch die Taper-Struktur 2 aufgeweitet. Der erzeugte Gaussche Strahl fällt danach auf die Reflexionsfläche 8, an der Totalreflexion stattfindet. Dadurch wird die Strahlrichtung geändert und nach oben abgelenkt. Um einen kollimierten Strahl zu erhalten umfasst das Strahlenausgangssegment 4 einen im Wesentlichen gewölbten Bereich 11, wobei der gewölbte Bereich z.B. eine Linsenform haben kann. 1 1 is a schematic representation of an optical device 1 for bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a first exemplary embodiment of the invention. The optical device 1 consists essentially of a taper structure 2, with the taper structure 2 being roughly divided into two parts: a beam input segment 3, with the beam input segment 3 for coupling a light beam 5 from the waveguide 7 into the taper structure 2, and a beam output segment 4, with the beam output segment 4 for focusing and coupling the light beam 5 into the external medium 6. In particular, the light beam 5 can be coupled in bidirectionally. Because at the optical device 1 of the beams Since the path of the light beam 5 is reversible, the light beam 5 can thus also be coupled into the waveguide 7 from the external medium 6 by means of the optical device 1 . The light beam 5 is coupled from the external medium 6 into the beam output segment 4 and defocused. The light beam 5 is then deflected by means of the first reflection surface 8 into the plane of the waveguide 7 towards the beam input segment 3 and is coupled into the waveguide 7 . The external medium 6 can be an optical fiber or a microscope lens, for example. The beam input segment 3 includes at the in 1 The exemplary embodiment shown has a conical or pyramidal area 10 . The beam output segment 4 comprises an essentially curved area 11 , the curved area 11 comprising a first reflection surface 8 . As in 1 shown in cross section, a planar waveguide 7 is coupled to the taper structure 2 . Light propagating in the waveguide 7 is first expanded in terms of beam size by the taper structure 2 . The generated Gaussian beam then falls on the reflection surface 8, where total reflection takes place. This changes the direction of the beam and deflects it upwards. In order to obtain a collimated beam, the beam output segment 4 comprises a substantially curved area 11, where the curved area can have a lens shape, for example.

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 taper structure 2 acts as a mode transformer, which adapts the very small mode of a waveguide 7 to the wide beam shape of optical glass fibers or microscopes 6 . On the other hand, the optical device 1 makes it possible to achieve out-of-plane beam deflection, so that waveguides 7 become accessible from the chip surface 16 . This is done using several elements that can be created in 3D freeform writing. An adiabatic transition of the waveguide mode into a Gaussian beam propagating freely in the optical device takes place by means of the taper structure 2. This widens the beam input segment 3, which is adapted to the diameter of the waveguide 7, in order to prevent losses at the edges. The beam deflection takes place via reflection surfaces 8. Due to the refractive index contrast between the medium of the taper structure and the surrounding medium, total reflection occurs, which takes place without losses. The refractive index contrast determines the maximum tilt angle that can be achieved. If higher angles are to be achieved, multiple reflections can be used, which are also lossless. After the reflection, the beam 5 is collimated and adapted to the subsequent external medium or the mode-guiding element, which can be a glass fiber or a microscope objective.

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 beam input segment 4 can consist of a polymer, for example, and can include a polymer waveguide. At the beginning of the beam input segment 4, a eigenmode source is set up to launch the light beam from the waveguide 7 to mimic the light output of a silicon nitride to polymer waveguide mode converter located immediately before the beam input segment 3. The silicon nitride waveguide 7, which is initially 0.5 μm wide, tapers linearly downwards, while the height of the polymer waveguide 4 is continuously reduced to finally 1 μm, while the width is kept constant at 1 μm. This cross-section of the polymer waveguide 3 is selected because only the basic modes are supported due to the isolation by the silicon oxide substrate 12 below. Therefore, it enables an adiabatic conversion of the two basic modes of the silicon nitride waveguide 7 into the two basic modes of the polymer waveguide 3. After this interface to the polymer structure, the conical or pyramidal area 10 of the taper structure 2 begins. Here the width and height of the polymer waveguide 3 is linearly increased until the conical or pyramidal area 10 meets the essentially curved area 11. In this range, the diameter of the beam increases continuously and keeps its Gaussian shape. As this extension is initially adiabatic, this scheme allows a separate optimization of the mainly wavelength tunable silicon nitride polymer waveguide mode converter and the final taper structure 2, where the mode field diameter of the fiber to which the light is coupled is the key parameter. After the taper, when the beam enters the bulged area 11, the beam spreads out like free space. Due to the relatively large beam diameter compared to the distance to the lens of the curved area 11, the beam does not have a large divergence and propagates directly to the reflecting surface 8, since this distance is small compared to the Rayleigh length of the beam at the end of the cone. The angle of the reflecting surface 8 can be chosen, for example, at 39° with respect to the chip plane 16 in order to correspond to the 12° angle at which the 8° polished fiber array emits and collects the light. After the reflection surface 8 the light beam 5 spreads in the direction of the curved area 11 . The curved area 11 serves to focus the diverging beam and to couple it into the external medium 6 .

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 taper structure 2 of the optical device 1 can be produced, for example, with a direct laser writing system (Nanoscribe Professional GT), a 63x lens and IP dip as a resist.

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 optical device 1 can be coupled to any fiber arrangements by freely selecting the angle of incidence. It is thus possible to couple in directly at 90°, which is advantageous for the mechanical connection of fibers 6 and chip 16 . An optimal coupling angle can also be selected for the popular use of polished fiber facets that are ground at angles to avoid back reflections. It is also possible to launch at shallow angles if the fiber is to be routed close to the chip surface.

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 taper structure 2 of the optical device 1 enables the use of total reflection for beam deflection in an integrated component. This allows direct coupling to waveguides from any angle (and especially vertically), which is a significant advantage over other coupling methods (e.g. side coupling). Other vertical coupling methods (grating coupler) are limited to the diffraction angles of the planar structures and can therefore only be addressed poorly below 90°.

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 chip 16.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer optische Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Für Anwendungen in denen geringerer Brechungsindexkontrast auftritt, z.B. wenn die Koppler in einem Medium 15 wie z.B. Wasser eingetaucht sind, können Mehrfach-Reflexionen ausgenützt werden um den Strahl abzulenken. Über die Anpassung des Beugungswinkels der Reflexionsfläche 8, 9 können beliebige Ausgangswinkel erfasst werden. Damit ist es insbesondere möglich unter 90° Einfall auf den Chip 16 zu koppeln. 2 shows a schematic representation of an optical device 1 for the bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a second exemplary embodiment of the invention. For applications where lower refractive index contrast is encountered, for example where the couplers are immersed in a medium such as water, multiple reflections can be used to deflect the beam. By adjusting the diffraction angle of the reflecting surface 8, 9, any starting angle can be detected. It is thus possible, in particular, to couple onto the chip 16 at an angle of incidence of 90°.

3 zeigt eine schematische Draufsicht eines Wellenleiterarrays 13 mit einer Vielzahl von Wellenleitern 7 und optischen Vorrichtungen 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Über Markersuche und Alignment können viele optische Vorrichtungen 1 an Wellenleiterarrays 13 angesetzt werden und damit eine große Anzahl an Bauelementen optisch angesprochen werden. Die optische Vorrichtung 1 ist skalierbar und kann über skalierbare Fertigungsmethoden hergestellt werden und ist damit für die Massenfertigung geeignet. Dies ermöglicht die direkte Ankopplung an Faserarrays 13 in welchen viele optische Fasern gebündelt sind. Durch die optische Vorrichtung 1 wird eine parallele und verlustarme Auslese vieler Wellenleiterkanäle 7 ermöglicht. 3 shows a schematic plan view of a waveguide array 13 with a plurality of waveguides 7 and optical devices 1 according to an embodiment of the invention. A large number of optical devices 1 can be attached to waveguide arrays 13 via marker search and alignment, and a large number of components can thus be addressed optically. The optical device 1 is scalable and can be manufactured using scalable manufacturing methods and is therefore suitable for mass production. This enables direct coupling to fiber arrays 13 in which many optical fibers are bundled. The optical device 1 enables a parallel and low-loss readout of many waveguide channels 7 .

4 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die optische Vorrichtung 1 kann an beliebige Wellenleiter 7 angesetzt werden. Durch die adiabatische Aufweitung der Strahlform kann quasi verlustfrei eingekoppelt werden. Die optische Vorrichtung kann auch mit weiteren Chipelementen problemlos kombiniert werden. Durch die Fixierung der optischen Vorrichtung 1 an den Wellenleiter 7 kann der Koppler durchstimmbar im Emissionswinkel gemacht werden. Beispielsweise ist in 4 die Verwendung einer beweglichen Struktur gezeigt, wodurch der Strahlwinkel angepasst werden kann, ohne die Kopplungseffizienz zu verlieren. Dazu wird die Taper-Struktur 2 an einem freistehenden Wellenleiter 14 befestigt. Dieser freistehende Wellenleiter-Arm 14 kann mechanisch beispielsweise mit Hilfe von Elektroden bewegt werden. Durch die Verstellung des Neigungswinkels des Wellenleiters 14 kann dann simultan der Ausgangswinkel der optischen Vorrichtung 1 eingestellt werden. Dies ermöglicht den Einsatz für Beam-Steering und Lidar-Anwendungen. Ebenfalls wird dadurch der Einsatz in Phase-Arrays und kollektiven Emittern ermöglicht. 4 shows a schematic representation of an optical device 1 for the bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a third exemplary embodiment of the invention. The optical device 1 can be attached to any waveguide 7 . Due to the adiabatic widening of the beam shape, it can be coupled in with virtually no losses. The optical device can also be easily combined with other chip elements. By fixing the optical device 1 to the waveguide 7, the coupler can be made tunable in the emission angle. For example, in 4 demonstrated the use of a moveable structure, which allows the beam angle to be adjusted without losing coupling efficiency. To this end, the taper structure 2 is attached to a free-standing waveguide 14 . This free-standing waveguide arm 14 can be moved mechanically, for example with the aid of electrodes. By adjusting the angle of inclination of the waveguide 14, the output angle of the optical device 1 can then be adjusted simultaneously. This enables it to be used for beam steering and lidar applications. This also enables use in phase arrays and collective emitters.

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)

Optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters (7) an ein externes Medium (6) umfassend zumindest eine Taper-Struktur (2), wobei die 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, und die 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 that a light beam (5) from the waveguide (7) is coupled into the taper structure (2), the taper structure comprises a beam output segment (4), the beam output segment (4) being set up in such a way that the light beam (5) is focused and coupled 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 the light beam (5) is deflected out of the plane of the waveguide (7), characterizedthat 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 (10) increasing linearly, and the conical or pyramidal area (10) is adjoined by the beam output segment (4), the beam output segment (4) comprising an essentially curved area (11), the essentially curved area (11 ) comprises the at least first reflection surface (8). Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reflexionsfläche (8) eine Totalreflexionsfläche ist.Optical device claim 1 , characterized in that the first reflection surface (8) is a total reflection surface. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Taper-Struktur (2) im Bereich des Strahleneingangssegments (3) kontinuierlich verjüngt ist, während die Breite konstant gehalten ist, wodurch ein Hohlleiterbereich gebildet ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the height of the taper structure (2) in the area of the beam input segment (3) tapers continuously, while the width is kept constant, whereby a waveguide area is formed. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taper-Struktur (2) zumindest eine weitere Reflexionsfläche (9) umfasst.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the taper structure (2) comprises at least one further reflection surface (9). Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenausgangssegment (4) eine kollimierende Linse umfasst.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam output segment (4) comprises a collimating lens. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Medium (6) eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the external medium (6) is an optical fiber or a microscope objective. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) ein planarer Wellenleiter ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is a planar waveguide. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) auf einem Substrat (12) angeordnet ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is arranged on a substrate (12). Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) als freistehender Wellenleiter-Arm (14) ausgebildet ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is designed as a free-standing waveguide arm (14). Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taper-Struktur (2) aus einem Polymer gebildet ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the taper structure (2) is formed from a polymer. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (1) mittels 3D Druck insbesondere mittels direktem Laserschreiben hergestellt ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical device (1) is produced by means of 3D printing, in particular by means of direct laser writing. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) Teil eines Wellenleiterarrays (13) ist.Optical device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (7) is part of a waveguide array (13).
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