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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern an ein Detektorarray. Auch betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern an ein Detektorarray in einer breitbandigen Kamera.
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Die effiziente Ankopplung von Wellenleiterstrukturen an Detektoren erfolgt entweder durch Fokussierung einer Freistrahloptik oder durch die Ankopplung an Glasfasern. In beiden Fällen ist der Größenunterschied zwischen einem Wellenleiter und der abbildenden Struktur stark unterschiedlich, weswegen es zu Kopplungsverlusten kommt. Bei der Freistrahlkopplung muss auf die Dimensionen des Wellenleiters fokussiert werden, was nicht breitbandig möglich ist. Daher ist diese Methode sowohl verlustbehaftet, also auch ineffizient. Weiterhin werden aufwendige Optiken benötigt, die das Verfahren teuer machen. Bei der Faserkopplung wird ein in der Glasfaser geführtes Signal in einem Wellenleiter übertragen. Durch den Größenunterschied zwischen dem Faserkern und dem Wellenleiter ist eine direkte Kopplung nur mit hohen Verlusten möglich. Daher ist es notwendig entweder die Wellenleitergröße an die Faser anzupassen oder optische Strukturen zu verwenden. Dabei kommen besonders Gitterkomponenten zum Einsatz, die eine Kopplung aus der Ebene heraus erlauben. Bei diesen Gitterkomponenten ist jedoch die optische Bandbreite stark eingeschränkt und es treten Kopplungsverluste auf. Weiterhin ist die Verwendung von Linsenfasern möglich, um direkt auf eine Wellenleiterfacette zu fokussieren. Alternativ dazu kommen getaperte Fasern zum Einsatz oder es werden Modenkonversionselemente verwendet, um die geführte optische Mode an den Durchmesser der Fasermode anzupassen. In allen Fällen ist das Ansprechen einer großen Anzahl von Wellenleitern eine Herausforderung. Zum einen muss die Ausrichtung der Kopplungselemente an die Wellenleiter reproduzierbar erfolgen, zum anderen muss auch platzsparend gekoppelt werden, da nur eine beschränkte Fläche beispielsweise auf einem Wellenleiterchip zur Verfügung steht.
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Für bildgebende Verfahren und Kameraanwendungen ist jedoch das Ansprechen einer großen Anzahl von Wellenleitern von zentraler Bedeutung. In diesen Anwendungen müssen eine hohe Stückzahlen von Kopplungsstellen reproduzierbar an die eingehende Optik gekoppelt werden.
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Für diese ist ein separate Ausrichtung der Einzelelemente zu aufwendig und auch aus Platzgründen nicht möglich. Eine Ausrichtung einzelner Kopplungsstrukturen an Freistrahloptiken ist bei großen Pixelanzahlen ebenfalls nicht möglich, wodurch die Vorteile von Wellenleiterstrukturen für die Detektion von breitbandigen Signalen und Einzelphotonen nicht genutzt werden können. Für die Realisierung von Multi-Detektorarchitekturen ist ebenfalls die Kopplung an viele Eingangsregionen notwendig. Diese erfordert aufwendiges Ausrichten und ist daher kostenintensiv.
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Die Druckschrift W. Hartmann et.al.: „Waveguide-lntegrated Broadband Spectrometer Based on Tailored Disorder“ aus Advanced Optical Materials, 2020, 1901602 beschreibt ein Wellenleiter-integriertes Breitbandspektrometer auf Basis einer maßgeschneiderten Störung. Kompakte On-Chip-Spektrometer, die maßgeschneiderte Störungen für breitbandige Lichtstreuung nutzen, ermöglichen eine hochauflösende Signalanalyse bei gleichzeitig geringem Platzbedarf. Durch Mehrfachstreuung des Lichts im ungeordneten Medium wird die effektive Weglänge des Geräts deutlich erhöht. In dem Dokument werden On-Chip-Spektrometer für sichtbare und nahinfrarote Wellenlängen realisiert, indem ein effizienter Breitband-Faser-zu-Chip-Kopplungsansatz mit einem Streubereich in einer breitbandigen transparenten Siliziumnitrid-Wellenleiterstruktur kombiniert wird. Luftlöcher, die in eine strukturierte Siliziumnitridplatte mit mehreren Wellenleitern geätzt wurden, ermöglichen eine Mehrwege-Lichtstreuung in einem diffusiven Bereich. Die spektrale und räumliche Zuordnung erfolgt durch Bestimmung der Übertragungsmatrix an den Wellenleiterausgängen, die dann zur Rekonstruktion der Sondensignale verwendet wird.
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Die Druckschrift
US 2019/0170 945 A1 beschreibt optische Wellenleiter-Verbindungselemente zur optischen Kopplung optischer Komponenten einer optischen Baugruppe, wie z.B. die Randkopplung von optischen Leiterplatten. In einer Ausführungsform umfasst ein Wellenleiter-Verbindungselement eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche, einen bereits vorhandenen Lichtwellenleiter innerhalb oder auf einer Oberfläche des Wellenleiter-Verbindungselements und einen laserbeschrifteten Lichtwellenleiter, der optisch an ein Ende des bereits vorhandenen Lichtwellenleiters gekoppelt ist und sich entweder in Richtung der ersten Endfläche oder der zweiten Endfläche erstreckt.
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Die Druckschrift
WO 2019/083773 A1 beschreibt optische Baugruppen, Verbindungssubstrate und Verfahren zur Herstellung optischer Verbindungen. In einer Ausführungsform umfasst eine optische Baugruppe ein erstes Wellenleitersubstrat, ein zweites Wellenleitersubstrat und ein Verbindungssubstrat mit einer ersten Endfläche, einer zweiten Endfläche und einem lasergeschriebenen Wellenleiter. Das erste Wellenleitersubstrat ist mit der ersten Endfläche des Verbindungssubstrats verbunden, und der erste Wellenleiter ist optisch mit dem lasergeschriebenen Wellenleiter gekoppelt. Der lasergeschriebene Wellenleiter endet an der zweiten Endfläche des Verbindungssubstrats. Das zweite Wellenleitersubstrat ist mit der zweiten Endfläche des Verbindungssubstrats gekoppelt, so dass der zweite Wellenleiter optisch mit dem lasergeschriebenen Wellenleiter an der zweiten Endfläche gekoppelt ist.
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Die Druckschrift
US 2015/0268419 A1 beschreibt ein Verfahren zur optischen Kopplung einer photonischen integrierten Schaltung und einer externen optischen Komponente. In einem Aspekt umfasst ein Verfahren: Bereitstellen einer photonischen integrierten Schaltung, die mindestens einen integrierten optischen Wellenleiter umfasst, wobei die photonische integrierte Schaltung eine Deckschicht aufweist; Bereitstellen mindestens einer optischen Komponente außerhalb der photonischen integrierten Schaltung, wobei die mindestens eine optische Komponente eine optische Kopplungsfacette aufweist und so konfiguriert ist, dass sie optisch mit dem mindestens einen integrierten optischen Wellenleiter gekoppelt werden kann, wodurch eine Baugruppe gebildet wird; Bestimmen einer Position der optischen Kopplungsfacette der mindestens einen optischen Komponente in der Baugruppe; Bestimmen einer Position des mindestens einen integrierten optischen Wellenleiters; Entwerfen eines optischen Schnittstellenmusters zwischen der optischen Kopplungsfacette der mindestens einen optischen Komponente in der Anordnung und dem mindestens einen integrierten optischen Wellenleiter; und Schreiben des Schnittstellenmusters in die Deckschicht der photonischen integrierten Schaltung mittels eines Femtosekundenlasers, wodurch eine optische Schnittstelle zum optischen Koppeln der optischen Kopplungsfacette und des mindestens einen integrierten optischen Wellenleiters gebildet wird.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern an ein Detektorarray anzugeben, die eine effiziente Ankopplung ermöglicht, bei der eine Vielzahl von Detektoren platzsparend und kostengünstig ausgelesen werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern an ein Detektorarray angegeben, die Vorrichtung umfassend: zumindest einen optischen Wellenleiter, zumindest ein Verbindungssubstrat, ein Detektorarray, wobei das Detektorarray eine Mehrzahl von Detektoren zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung umfasst, die Detektoren jeweils zumindest einen planaren Wellenleiter umfassen, wobei die planaren Wellenleiter auf zumindest einer Fläche des Verbindungssubstrats angeordnet sind, das Verbindungssubstrat zumindest einen lasergeschriebenen Wellenleiter umfasst, wobei der lasergeschriebene Wellenleiter derart eingerichtet ist, den optischen Wellenleiter mit dem planaren Wellenleiter zu verbinden.
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Die Erfindung kombiniert planare Fertigungsmethoden, wie sie für die Herstellung von Wellenleitern und Detektoren erforderliche sind, mit dreidimensionalem Laserschreiben, um die Kopplung an optische Wellenleiter und die Detektion von propagierenden Moden zu separieren. Mit diesem Konzept kann eine große Anzahl von Detektoren angesprochen werden und in einer drei-dimensionalen Anordnung ausgelesen werden. Durch die erfindungsgemäße Kopplungsmethodik entfällt das aufwendige Ausrichten von einzelnen optischen Eingangspunkten an die jeweiligen Wellenleiter. Neben der parallelen Kopplung an viele Detektoren ermöglicht die vorliegende Erfindung durch das Fehlen von Brechnungsindexunterschieden an der Kopplungsstelle darüber hinaus eine verlustarme Kopplung, die für die Realisierung hocheffizienter Matrizendetektoren notwendig ist. Über dieses breitbandige Kopplungskonzept kann die volle Transparenzbandbreite von optischen Wellenleitern in einem parallelen Auslesekonzept ausgeschöpft werden. In der Kombination mit einem breitbandigen Detektionsfenster beispielsweise durch die Verwendung von supraleitenden Detektoren kann auf diese Weise eine neuartige Kamera geschaffen werden, die sowohl empfindlich auf einzelne Photonen ist, aber auch über einen extrem breiten Wellenlängenbereich messen kann. Durch die Einbindung von Wellenleiterstrukturen können nanophotonische Elemente mit jedem Pixelelement skalierbar kombiniert werden. Dadurch lässt sich eine optische Signalverarbeitung für jedes Detektorelement implementieren, aber auch spektrale Selektivität generieren. Diese ist insbesondere für multispektrale Bildgebung essenziell. Mit der hier vorgestellten Erfindung wird diese auch in bisher nicht erreichten Wellenlängenbereichen möglich.
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Die erfindungsgemäße Idee ermöglicht es somit eine Vielzahl von Detektoren kostengünstig auszulesen. Dabei werden die zu den Detektoren zugehörigen planaren Wellenleiter auf der Oberflächen des Verbindungssubstrats effizient angeordnet, wodurch eine einfache Ankopplung ermöglicht wird, und insbesondere eine Vielzahl von Detektoren platzsparend und kostengünstig ausgelesen werden können. Momentan werden Detektoren häufig einzeln betrieben. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, komplette Arrays aus Detektoren bis hin zu Kamerasystemen zu implementieren. Damit werden neue Anwendungsfelder in einem breiten Spektrum erschlossen und erstmals die besonderen Eigenschaften von supraleitenden Nanodrahtdetektoren breit nutzbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die planaren Wellenleiter auf unterschiedlich orientierten Flächen des Verbindungssubstrats angeordnet. Durch die Anordnung der planaren Wellenleiter auf unterschiedlich orientierten Flächen des Verbindungssubstrats können insbesondere eine Vielzahl von planaren Wellenleitern und damit eine Vielzahl von Detektoren platzsparend und kostengünstig auf der Oberfläche des Verbindungssubstrats angeordnet werden. Aufgrund der Ankopplung der planaren Wellenleiter an den optischen Wellenleiter wird eine einfache Ankopplung ermöglicht wird, wodurch insbesondere eine Vielzahl von Detektoren einfach und kostengünstig ausgelesen werden können.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der optische Wellenleiter eine optische Glasfaser. Mittels optischer Glasfasern kann Licht auf einfache Weise dem Verbindungssubstrat und damit den Detektoren des Detektorarrays zugeführt werden.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungssubstrat ein Silikaglasblock.
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Erfindungsgemäß sind die Detektoren des Detektorarrays supraleitende Einzelphoton Detektoren, wobei ein supraleitender Nanodraht auf dem planaren Wellenleiter aufgebracht ist.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der supraleitender Nanodraht hergestellt aus einem supraleitenden Dünnfilm, wobei der supraleitende Dünnfilm einen Stoff umfasst, ausgewählt aus der Gruppe Niobnitrid, Niobtitannitrid, Molybdensilizid, Wolframsilizid.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Taperstruktur zur Ankopplung des lasergeschriebenen Wellenleiters an den planaren Wellenleiter. Um einen effizienten Übergang des lasergeschriebenen Wellenleiters in den planaren Wellenleiter zu ermöglichen, werden Taperstrukturen sowohl im Verbindungssubstrat als auch im planaren Wellenleiter verwendet. Auf diese Weise kann die einfallende Lichtwelle aus dem optischen Wellenleiter in den planaren Wellenleiter optimal übertragen werden.
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effizienten Übergang des lasergeschriebenen Wellenleiters in den planaren Wellenleiter zu ermöglichen, werden Taperstrukturen sowohl im Verbindungssubstrat als auch im planaren Wellenleiter verwendet. Auf diese Weise kann die einfallende Lichtwelle aus dem optischen Wellenleiter in den planaren Wellenleiter optimal übertragen werden.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der planare Wellenleiter einen Stoff, ausgewählt aus der Gruppe Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Tantaloxid, Silizium.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst jeder Detektor des Detektorarrays einen separaten optischen Wellenleiter.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere optische Wellenleiter zu einem Bündel von optischen Wellenleitern zusammengefasst.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungssubstrat auf einem thermischen und/oder mechanischen Träger angebracht.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung modular ausgebildet und derart eingerichtet, zu einem Gesamtsystem mit mehreren Vorrichtungen zur Ankopplung von optischen Wellenleitern an ein Detektorarray zusammengesetzt zu werden.
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Erfindungsgemäß ist außerdem eine Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern an ein Detektorarray nach einem der vorherigen Ansprüche in einer breitbandigen Kamera angegeben, wobei die breitbandige Kamera zumindest eine bildgebende Optik und eine sich an die bildgebende Optik anschließende Bildsammelvorrichtung umfasst, wobei die Bildsammelvorrichtung mittels optischer Wellenleitern an ein Detektorarray angekoppelt ist, wobei die Ankopplung der optischen Wellenleiter an das Detektorarray mittels der Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche erfolgt.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
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Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zur Ankopplung eines optischen Wellenleiters an einen einzelnen Detektor eines Detektorarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern an ein Detektorarray gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern an ein Detektorarray gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine Integration eines Detektorelements in das Verbindungssubstrat gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 die Verwendung der Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern an ein Detektorarray in einer breitbandigen Kamera gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die 1 zeigt eine Vorrichtung zur Ankopplung eines optischen Wellenleiters 2 an einen einzelnen Detektor 10 eines Detektorarrays 7 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 1 a) ist die Vorrichtung in Seitenansicht und in 1 b) in Draufsicht gezeigt. Ein Verbindungssubstrat 3 bildet dabei Licht aus einer Glasfaser 2 auf einen planaren Wellenleiter 5 mit hoher Effizienz ab. In 1 ist der planare Wellenleiter 5 als Bestandteil eines einzelnen Detektors 10 gezeigt. Der planare Wellenleiter 5 ist auf zumindest einer Fläche 16 des Verbindungssubstrats 3 angeordnet. In 1 ist gezeigt, dass der planare Wellenleiter 5 auf der Oberseite des Verbindungssubstrats 3 aufgebracht ist und aus einem höher-brechenden Material, z.B. Siliziumnitrid besteht. In das Verbindungssubstrat 3 sind mit Hilfe von 3D Laserschreiben (DLW) Wellenleiterstrukturen 4 eingebracht. DLW ändert den Brechungsindex lokal und ermöglicht Freiformschreiben in drei Dimensionen. Das Licht von der Glasfaser 2 wird dabei über die linke Seite des Verbindungssubstrats 3 eingekoppelt. Daran schließt sich die 3D Wellenleiterstruktur 4 an, die das einfallende Licht an die Oberfläche des Verbindungssubstrats 3 transferiert und in den planaren Wellenleiter 5 einkoppelt.
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Die 2 zeigt eine Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern 2 an ein Detektorarray 7 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in 2 gezeigte Vorrichtung umfasst mehrere optische Wellenleiter 2, die Licht an der linken Seite eines Verbindungssubstrats 3 einkoppeln. Die mehreren optischen Wellenleiter 2 können insbesondere Glasfaserbündel oder Glasfaserarrays sein, die das Licht an verschiedenen Stellen in das Verbindungssubstrat 3 einkoppeln. Auf der Oberfläche des Verbindungssubstrats 3 sind eine Mehrzahl von Detektoren 10 zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung angeordnet. Die Detektoren 10 umfassen jeweils zumindest einen planaren Wellenleiter 5. Die Detektoren 10 sind dabei auf unterschiedlich orientierten Flächen des Verbindungssubstrats 3 angeordnet, wodurch eine Anordnung der Detektoren in drei Dimensionen ermöglicht wird. Hierdurch wird das Detektorvolumen signifikant verringert und eine platzsparende Verteilung der Detektoren 10 auf der Oberfläche des Verbindungssubstrats 3 erreicht. Das Verbindungssubstrat 3 kann beispielsweise ein Silikaglasblock oder ein Quarzglasblock sein. Die planaren Wellenleiter 5 können auf allen Oberflächen des Silikaglasblocks gefertigt und angeordnet werden. Jeder Detektor 10 kann beispielsweise über eine separate Glasfaser 2 und über den planaren Wellenleiter 5 angesprochen werden. Um viele planare Wellenleiter 5 gleichzeitig anzusprechen, werden Arrays von Glasfasern 2 oder Faserbündel zur Einkopplung verwendet. Von jedem Kopplungspunkt der Glaserfaser 2 an das Verbindungssubstrat 3 wird eine 3D Wellenleiterstruktur, die mittels 3D Laserschreiben in das Verbindungssubstrat 3 eingebracht wurde, zur Oberfläche des Verbindungssubstrats 3 und zum planaren Wellenleiter 5 geführt.
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In 2 ist das Verbindungssubstrat 3 als Querschnitt entlang der Längsachse des Verbindungssubstrats 3 gezeigt, wobei auch die lasergeschriebenen Wellenleiter 4 gezeigt sind, die von einem Kopplungspunkt der Glaserfaser 2 an das Verbindungssubstrat 3 zu einem planaren Wellenleiter 5 führen. Aus diesem Konzept heraus können einzelne Module erstellt werden, welche Licht beispielsweise aus einem Faserbündel auf die planaren Wellenleiter 5 abbilden, die auf unterschiedlich orientierten Flächen des Verbindungssubstrats 3 angeordnet sind. Durch die direkte Kopplung der optischen Wellenleiter 2 an das Verbindungssubstrat 3 besteht kein Brechungsindexkontrast zwischen den Elementen. Dadurch fallen keine Rückreflexionen an und nahezu das gesamte einfallende Licht aus dem optischen Wellenleiter 2 kann in die lasergeschriebenen Wellenleiter 4 eingekoppelt werden. Darüber hinaus kann ein Indexmatchingmaterial verwendet werden, um Restreflexionen zu vermeiden. Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass die 3D lasergeschriebenen Wellenleiter 4 im Verbindungssubstrat 3 in ihrer Modenform an die Modenverteilung des optischen Wellenleiters 2 angepasst werden, um weitere Verluste zu vermeiden. Dadurch kann nahezu das gesamte einfallende Licht im jeweiligen 3D lasergeschriebenen Wellenleiter 4 geführt werden. Die Anzahl der planaren Wellenleiter 5 und damit die Anzahl der Detektorelemente 10, die auf unterschiedlich orientierten Flächen des Verbindungssubstrats 3 aufgebracht werden können, ist nur durch die Größe des Verbindungssubstrats 3 limitiert. Das Verbindungssubstrat 3 wird an die Anzahl der einzukoppelnden optischen Wellenleiter 2 und damit an das Format beispielsweise eines entsprechenden Bündels aus optischen Glasfasern angepasst. Die planaren Wellenleiter 5 können aus allen Materialien gefertigt werden, die einen Brechungsindex größer als beispielsweise das als Verbindungssubstrat 3 verwendete Silika aufweisen. Ein höherer Brechungsindexkontrast führt zu einer stärkeren Modenführung und zu einer Konzentrierung der optischen Intensität. Geeignete Materialien sind z.B. Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Tantaloxid, Silizium.
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Die 3 zeigt eine Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern 2 an ein Detektorarray 7 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 3 ist gezeigt, dass mehrere wie in 2 gezeigte Module eines Detektorarrays 7 zu einem Modulsystem kombiniert sind. Dazu werden die einzelnen Detektorarraymodule 7 auf einem thermischen und/oder mechanischen Träger 8 verankert. Dies ermöglicht sowohl die mechanische als auch thermische Ankopplung des Verbindungssubstrats 3 an den Träger. Gleichzeitig wird eine präzise Positionierung des Verbindungssubstrats 3 gegenüber den optischen Wellenleitern 2 eines Faserbündels gewährleistet. Die thermische Ankopplung der Detektorelemente 10 erfolgt über das Verbindungssubstrat 3 beispielsweise eines Silikaglasblocks an den darunter liegende thermische und/oder mechanischen Träger 8. In 3 ist gezeigt, dass eine große Anzahlen von Detektoren 10 optisch angesprochen, thermisch angekoppelt und gleichzeitig mechanisch stabil positioniert werden können. Das parallele Ansprechen vieler Detektoren 10 in einem Schritt macht das Electronic Packaging einfach und erlaubt es eine hohe Stückzahl von Detektoren 10 kostengünstig anzusprechen. Hierdurch wird eine zentrale Schwierigkeit aktueller Detektorsysteme umgangen, wodurch Matrixdetektoren erschwinglich werden. Durch die Kopplung des Verbindungssubstrats 3 an ein Glasfaserbündel oder ein Glasfaserarray kann das komplette Detektorarray in einem Positionierschritt ausgerichtet werden. Damit kann ein effizienter Übergang von einem nanoskaligen Detektorelement 10 zu einer makroskopischen Faser 2 skalierbar erreicht werden. Die Modulanordnung ermöglicht es darüber hinaus die Detektorelemente 10 optimal auszurichten, so dass ein beschränkter Platz beispielsweise in Kryosystemen optimal ausgenutzt werden kann. Durch das modulare Konzept kann die Anzahl der angesprochenen Detektorelemente 10 einfach erweitert und unterschiedliche Module beispielsweise mit komplementären Eigenschaften in einem Gesamtsystem vereinigt werden. Beispielsweise kann hierdurch die Pixelanzahl eines bildgebenden Systems kontinuierlich erweitert werden. Außerdem wird die optische Kopplung an das Glasfaserarray langzeitstabil und thermisch verankert, wodurch das Detektionskonzept langfristig verwendet werden kann, ohne nachjustiert werden zu müssen. Die Anzahl der montierten Module bleibt nur durch die Kühlleistung des Kryosystems sowie dessen Dimensionen beschränkt, wodurch die Module auch in kleinen Kryostaten montiert werden können. Dies verringert die Kosten für das Kühlsystem und erhöht die Kühleffizienz, womit auch der Energieverbrauch des Gesamtsystems und damit auch die Kosten für das Kryosystem sinken.
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Die 4 zeigt die Integration von Detektorelementen 10 in das Verbindungssubstrat 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Für eine breitbandige Detektion können beispielsweise supraleitenden Einzelphoton Detektoren verwendet werden welche Licht in einem breiten Wellenlängenbereich absorbieren. Die Detektoren 10 selbst können beispielsweise aus supraleitenden Dünnfilmen gefertigt werden. Geeignete Materialien sind Niobnitrid, Niobtitannitrid, Molybdensilizid oder Wolframsilizid. Diese Dünnfilme werden direkt auf der Oberfläche der planaren Wellenleiter 5 abgeschieden. Nach der Abscheidung werden supraleitende Nanodrähte 9 aus den Filmen präpariert die einen Zusammenbruch der Supraleitung durch Absorption eines Photons ermöglichen. Die Nanodrähte 9 könne mit einem transparenten Material passiviert werden, z.B. mit HSQ Photolack oder Glas. Der Absorptionsbereich ist kompatibel mit dem Transparenzbereichs des Wellenleiters in welchem das zu detektierende Licht geführt wird. Kurze Detektorelemente 10 führen zu hohen Detektorgeschwindigkeiten und einer kompakten Pixelgröße. Ein Pixel ist durch die Geometrie des planaren Wellenleiters 5 und die elektrische Kontaktierung des Detektorelements 10 gegeben. Für die breitbandige Detektion werden Oberflächenarrays von supraleitenden Nanodrahtdetektoren 10 verwendet. Diese werden direkt auf den planaren Wellenleitern 5 aufgebracht und elektrisch kontaktiert. Auf jeden Wellenleiter 5 können entweder Einzeldetektoren oder auch Mehrfachdetektoren aufgebracht werden. Mehrfachdetektoren bestehen aus mehreren Einzelelementen die jeweils elektrisch ausgelesen werden können. Durch die Kombination mit Wellenleitern können weiter optische Elemente zur Signalverarbeitung im Bereich der Detektoren 10 angebracht werden.
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Die 5 zeigt die Verwendung der Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern 2 an ein Detektorarray 7 bei einer breitbandige Kamera 15 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Durch die Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern 2 an ein Detektorarray 7 werden bildgebende Verfahren, wie beispielsweise eine breitbandige Kamera 15 ermöglicht. Zur Realisierung von Detektormatrizen und Einzelphotonenkameras ist eine effektive Kopplung des einfallenden Lichts an ein Detektorelement 10 notwendig. Dieses kommt besonders bei der Detektion einzelner Photonen zum Tragen. Für hohe Auflösung sind kleine Detektorelemente 10 notwendig, was die optische Kopplung an diese erschwert. Für eine breitbandige Detektion im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich bestehen darüber hinaus nur wenige Detektionsmöglichkeiten. Ideale Performanz wird von supraleitenden Detektoren erreicht, die einen breiten Wellenlängenbereich abdecken und damit besonders für Kameraanwendungen von Interesse sind. Die hier vorliegende Erfindung ermöglicht die Kopplung eines Bildes, welches mit einer Optik 11 aufgenommen wird, an ein Detektorarray 7. Die breitbandige Kamera 15 umfasst eine bildgebende Optik 11, die einfallendes Licht auf ein zweidimensionales Glasfaserarray 13 abbildet. Die bildgebende Optik 11 kann beispielsweise eine Linsenanordnung 12 sein. Die einzelnen Einsammelpunkte des zweidimensionales Glasfaserarrays 13 werden durch die Vorrichtung zur Ankopplung von optischen Wellenleitern 2 an ein Detektorarray 7 jeweils auf einen planaren Wellenleiter 5 abgebildet. An jedem planaren Wellenleiter 5 können dann weitere optische Elemente angebracht werden. Um eine Kamerabildgebung zu ermöglichen, werden supraleitende Einzelphotonendetektoren 10 auf die Wellenleiter 5 aufgebracht. Die thermisch und mechanisch verankerten Module werden in eine Kühlumgebung eingebracht, um den Betrieb der supraleitenden Einzelphotonendetektoren 10 zu ermöglichen. Über dieses breitbandige Kopplungskonzept kann die volle Transparenzbandbreite von optischen Wellenleitern 2 in einem parallelen Auslesekonzept ausgeschöpft werden. In der Kombination mit dem breitbandigen Detektionsfenster, beispielsweise durch die Verwendung von supraleitenden Detektoren 10, kann eine neuartige Kamera 15 geschaffen werden, die sowohl empfindlich auf einzelne Photonen ist, aber auch über einen breiten Wellenlängenbereich messen kann.
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Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden von der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 724707 finanziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optischer Koppler
- 2
- optischer Wellenleiter
- 3
- Verbindungssubstrat
- 4
- Wellenleiterstruktur
- 5
- planarer Wellenleiter
- 6
- Kopplerarray
- 7
- Detektorarray
- 8
- thermischer/mechanischer Träger
- 9
- supraleitender Nanodraht
- 10
- Detektorelement
- 11
- bildgebende Optik
- 12
- Linse
- 13
- Bildsammelvorrichtung
- 14
- Glasfaserbündel
- 15
- breitbandige Kamera
- 16
- Oberfläche des Verbindungssubstrats
