DE102022103286B4

DE102022103286B4 - Ansprechbare optische Schnittstelle, Testsystem, Lichtleitsystem und Modulsystem

Info

Publication number: DE102022103286B4
Application number: DE102022103286.8A
Authority: DE
Inventors: Helge Gehring; Christopher Rox; Wolfram Pernice
Original assignee: Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Current assignee: Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2022-02-11
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2042-02-12
Also published as: DE102022103286A1

Abstract

Vorrichtung (14) zum Bereitstellen einer Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen einem externen lichtleitenden Medium (16) und einer wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur (12) umfassend eine Mehrzahl an Lichtumleitstrukturen (23) und eine Grenzflächenstruktur (25),wobei die Lichtumleitstrukturen (23) derart mit der Lichtleitstruktur (12) verbindbar sind, dass Licht, das in der Lichtleitstruktur (12) geführt wird, von den Lichtumleitstrukturen (23) aufnehmbar ist,wobei wenigstens zwei Lichtumleitstrukturen (23a, 23b) derart ausgestaltet sind, und derart mit der Grenzflächenstruktur (25) verbunden sind, dass von den zwei Lichtumleitstrukturen (23a, 23b) aus der Lichtleitstruktur (12) aufgenommenes Licht auf einen gemeinsamen Reflexionsbereich (28) auf einer Grenzfläche (30) der Grenzflächenstruktur (25) abstrahlbar ist,wobei die Lichtumleitstrukturen (23) derart ausgestaltet sind, dass aus der Lichtleitstruktur (12) aufgenommenes Licht auf den Reflexionsbereich (28) fokussierbar ist, unda) wobei die Vorrichtung (14) derart ausgestaltet ist, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums (16) in einem optischen Nahfeld des gemeinsamen Reflexionsbereiches (28) Licht aus der Lichtleitstruktur (12) zwischen den zwei Lichtumleitstrukturen (23a, 23b) transmitterbar ist,und/oderb) wobei die Vorrichtung (14) derart ausgestaltet ist, dass bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums (16) in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches (28) Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium (16) und der Lichtleitstruktur (12) transmittierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen einem externen lichtleitenden Medium, wie beispielsweise eine Glasfaser und einer wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur.
Zudem betrifft die Erfindung ein Testsystem für eine wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur umfassend die obige Vorrichtung und das externe lichtleitende Medium.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Lichtleitsystem umfassend eine wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur und die obige Vorrichtung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Modulsystem umfassend das obige Lichtleitsystem und das externe lichtleitende Medium.
Im Bereich der Telekommunikation ist die Ankopplung an chipbasierte optische Elemente aus externen lichtleitenden Medien, wie beispielsweise optischen Glasfasern, eine zentrale Herausforderung. Integrierte optische Elemente werden auf Chipebene über Wellenleiter verbunden, zu denen in der Regel kein externer Zugang besteht. Die Wellenleiter übernehmen die Funktion, die elektrischen Verbindungen in elektrischen Schaltkreisen zukommt, und sind somit essentielle Bausteine für die funktionale Photonik auf integrierten optischen Schaltkreisen. Die Wellenleiter erlauben es, insbesondere komplexe optische Systeme zu miniaturisieren. Da die optischen Moden, die in der optischen Glasfaser und in Wellenleitern geführt werden, allerdings sehr unterschiedliche Größen aufweisen, ist eine Kopplung zwischen dem Wellenleiter und der optischen Glasfaser mit hohen Verlusten behaftet.
Um diese Verluste zu verringern sind im Stand der Technik Modenkonverter bekannt. Modenkonverter können allerdings nach ihrer Fertigung nicht oder nur sehr schwierig abgeändert oder angepasst werden, so dass Modenkonverter feste Bestandteile des fertigen optischen Chips sind und kaum Flexibilität erlauben. Die mangelnde Flexibilität führt beispielsweise dazu, dass die Modenkonverter feste Grenzen für die Wellenleiterstrukturen auf den optischen Chips darstellen.
Für einige Anwendungen können die Wellenleiter aufgespalten werden, um lediglich einen geringen Teil des im Wellenleiter geführten optischen Signals zu extrahieren, und derart eine Kopplung zwischen den chipbasierten optischen Elementen und dem externen lichtleitenden Medium zu ermöglichen. Allerdings sind auch diese Strukturen nach der Fertigung in ihrer Funktion festgelegt und ihr Verhalten kann nachträglich nicht oder nur sehr umständlich abgeändert werden.
Bisher wird die Kopplung zwischen dem externen lichtleitenden Medium, wie beispielsweise eine Glasfaser und den chipbasierten optischen Elementen über Gitterkoppler, Fasertaper oder 3D-Kopplern umgesetzt. Dabei wird das Licht aus dem externen lichtleitenden Medium über die Oberseite des optischen Chips in die lichtleitenden Strukturen auf dem Chip eingekoppelt, bzw. über die Oberseite des optischen Chips aus den lichtleitenden Strukturen in das externe lichtleitende Medium ausgekoppelt.
Gitterkoppler nutzen diffraktive Element, um eine Kopplung aus der Ebene zu ermöglichen. Sie weisen den Vorteil auf, dass sie günstig herstellbar sind und sich in der Herstellung nicht von Wellenleitern unterscheiden. Eine geringe Effizienz von typischerweise etwa 30% und eine geringe Bandbreite sind allerdings nachteilig. Zudem sind die Gitterkoppler nach ihrer Fertigung nicht mehr beeinflussbar und bieten keine Flexibilität. Sie sind starr in ihrem Verhalten und reagieren stets gleich auf Lichteinfall.
Fasertaper nutzen Glasfaser mit stark reduziertem Durchmesser. Die Fasertaper werden von oben auf die Wellenleiter gelegt und koppen das Licht über das optische Nahfeld in den Wellenleiter ein bzw. aus dem Wellenleiter aus. Diese Methode erkauft sich ihre hohe Effizienz und hohe Bandbreite mit einem großen Herstellungsaufwand, was eine Massenproduktion praktisch verunmöglicht. Zudem bieten auch Fasertaper keine Flexibilität, da nach Fertigung eine Abänderung nur sehr schwer bis gar nicht möglich ist.
Zur Fertigung von 3D Kopplern wird dreidimensionales direktes Laserschreiben verwendet, um die Bauform des 3D Kopplers zu realisieren. Die 3D Koppler erlauben es, über Totalreflexion den Einfallswinkel des 3D Kopplers verlustfrei zu wählen, wodurch die Richtungsänderung der Strahlrichtung mit deutlich höherer Effizienz und Bandbreite als bei Gitterkopplern durchgeführt werden kann. Allerdings sind auch 3D Koppler in ihrem Verhalten starr, wobei eine Änderung des Verhaltens des Kopplers nach seiner Herstellung nur durch Zerstörung und erneutes Laserschreiben möglich ist.
Alle der bekannten Koppler koppeln also nach ihrer Fertigung das in den lichtleitenden Strukturen des Chips geführte Licht aus dem Chip in das externe lichtleitende Medium und erlauben es nicht, dass ihr Kopplungs-Verhalten nach der Fertigung veränderbar ist.
Dies führt dazu, dass es mit den bisher bekannten Kopplern nicht möglich ist, ein chipbasiertes optisches System nach der Fertigung ohne zusätzliche Teststrukturen eingehend zu analysieren. Das im Chip geführte optische Signal kann nicht an beliebigen Positionen des optischen Chips ausgekoppelt werden, um die Funktionsweise der optischen Elemente des Chips zu testen. Stattdessen werden in der Regel eine Vielzahl ähnlicher Strukturelemente gefertigt, und anschließen getestet. Zudem kommen zu Auswertung mehrheitlich statistische Methoden in Betracht oder das Augenmerk wird auf Tests des gesamten chipbasierten optischen Systems gelegt, ohne die Funktionalität der individuellen optischen Elemente des Chips zu überprüfen. Bei komplexen chipbasierten optischen Systemen führt dieses Vorgehen zu hohen Kosten aufgrund von Ausschuss und bedingt durch zusätzliche Chipflächen für Teststrukturen.
Es besteht also ein Bedarf an Kopplungsmöglichkeiten, die ein flexibles Verhalten auch nach der Fertigung bieten. Außerdem ist es im Hinblick auf eine vereinfachte Fehleranalyse von großem Interesse, Wellenleiterstrukturen von optischen Chips an unterschiedlichen Stellen durchmessen zu können, ohne dabei verschiedene Strukturelemente herstellen zu müssen. Dafür dürfen die verwendeten Koppler bei Inaktivität die Funktion der Wellenleiterstruktur allerdings nicht behindern. Hierfür ist also ein Koppler nötig, der, wenn er nicht angesprochen wird, wie ein Wellenleiter funktioniert, hingegen jedoch bei Ansprache Licht ein- bzw. auskoppeln kann.
Aus WO 2009/071 546 A1 ist eine Beleuchtungseinheit bekannt, die einen streifenförmigen Lichtwellenleiter und ein Abbildungsmittel aufweist und mit einer reduzierten Anzahl von primären Lichtquellen eine sehr hohe Lichteffizienz realisiert. Sie ermöglicht das Erzeugen eines kohärenten ebenen Wellenfeldes mit einer für holografische Rekonstruktionen erforderlichen zeitlichen und räumlichen Kohärenz. Der streifenförmige Lichtwellenleiter enthält eine Anzahl von Auskoppelelementen zum Auskoppeln von eingeleitetem kohärentem Licht, das durch Abbildungselemente über ein steuerbares Lichtmodulationsmittel in eine Betrachterebene gelenkt wird. Die Auskoppelelemente bilden beim Einleiten von Licht ein Raster von sekundären Lichtquellen, die in der vorderen Brennebene der Abbildungselemente angeordnet sind und mindestens eindimensional die räumliche Kohärenz realisieren. Eine sekundäre Lichtquelle und ein Abbildungselement sind einander zugeordnet, um das ausgekoppelte Licht kollimiert durch das steuerbare Lichtmodulationsmittel zu lenken. Verschiedene Ausführungsbeispiele von Lichtwellenleiter und Auskoppelelementen werden angegeben. Anwendungsgebiet der Erfindung ist ein holografisches Displaygerät zum Rekonstruieren einer 3D-Szene.
Die DE 43 12 247 C2 beschreibt ein Verfahren zum Anzapfen von Lichtsignalen eines optischen Feldes, welches einen mit einer Ummantelung umgebenen Kern eines optischen Wellenleiters umgibt, durch Anordnen eines freien Faserendes einer optischen Faser einer lichtleitenden Sonde in der Nähe des optischen Wellenleiters.
Bei einem optischen Schalter wird gemäß DE 10 2005 021 008 A1 eine Störung des evaneszenten Feldes zur Ausübung der Schalterfunktion ausgenutzt. Hierbei ist ein optisches Element vorgesehen, an dessen Außenoberfläche im Bereich einer Berührungsfläche im berührungslosen Zustand eine Lichtreflexion auftritt. Wird der Schalter betätigt, so wird das sich an der Außenoberfläche ausbreitende evaneszente Feld im Bereich der Berührungsfläche und damit die Lichtausbreitung gestört, was zu einer Signalschwächung führt und als Schaltsignal ausgewertet wird. Das optische Element ist hierbei insbesondere ein Prisma oder ein Lichtwellenleiter, bei dem zur Erhöhung der sensitiven Fläche vorgesehen ist, dass der Querschnitt des Lichtwellenleiters abgeflacht ist, oder dass der Lichtwellenleiter nach Art einer Wendel oder einer Spirale geführt ist.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, die Flexibilität von optischen Chips nach ihrer Fertigung zu erhöhen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen einem externen lichtleitenden Medium und einer wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur bereitzustellen, die ein veränderbares Verhalten nach ihrer Herstellung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird also eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen einem externen lichtleitenden Medium und einer wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur umfassend eine Mehrzahl an Lichtumleitstrukturen und eine Grenzflächenstruktur bereitgestellt, wobei die Lichtumleitstrukturen derart mit der Lichtleitstruktur verbindbar sind, dass Licht, das in der Lichtleitstruktur geführt wird, von den Lichtumleitstrukturen aufnehmbar ist, wobei wenigstens zwei der Lichtumleitstrukturen derart ausgestaltet sind, und derart mit der Grenzflächenstruktur verbunden sind, dass von den zwei Lichtumleitstrukturen aus der Lichtleitstruktur aufgenommenes Licht auf einen gemeinsamen Reflexionsbereich auf einer Grenzfläche der Grenzflächenstruktur abstrahlbar ist, wobei die Lichtumleitstrukturen derart ausgestaltet sind, dass aus der Lichtleitstruktur aufgenommenes Licht auf den Reflexionsbereich fokussierbar ist, und

a) wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in einem optischen Nahfeld des gemeinsamen Reflexionsbereiches Licht aus der Lichtleitstruktur zwischen den zwei Lichtumleitstrukturen transmittierbar ist,

b) wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium und der Lichtleitstruktur transmittierbar ist.

Bevorzugt ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass die Merkmale a) und b) erfüllt sind.
Zudem betrifft die Erfindung ein Testsystem für eine wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur umfassend die obige Vorrichtung zum Bereitstellen der Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium und der Lichtleitstruktur, und das externe lichtleitende Medium.
Zudem wird erfindungsgemäß ein Lichtleitsystem umfassend die wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur und die obige Vorrichtung bereitgestellt, wobei die Lichtumleitstrukturen mit der Lichtleitstruktur derart verbunden sind, dass Licht, das in der Lichtleitstruktur geführt wird, von den Lichtumleitstrukturen aufnehmbar ist.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Modulsystem umfassend das obige Lichtleitsystem und das externe lichtleitende Medium bereitgestellt.
Ein Aspekt der Erfindung ist, dass die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, dass zwischen zwei Zuständen - einem koppelnden Zustand und einem leitenden Zustand - gewechselt werden kann, und zwar beliebig oft und ohne Eingriff in die Vorrichtung und/oder die wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur. Im leitenden Zustand, wenn Merkmal a) erfüllt ist, hält die Vorrichtung das Licht in der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur, wobei das Licht in der Lichtleitstruktur die Vorrichtung weitestgehend ungehindert passieren kann. Im koppenden Zustand, wenn Merkmal b) erfüllt ist, wird das Licht an das von außen an die Vorrichtung angenäherte externe lichtleitende Medium gekoppelt. Der Wechsel zwischen den beiden Zuständen basiert nicht auf einer unterschiedlichen physikalischen Gestalt der Vorrichtung. Stattdessen ist die Anwesenheit bzw. Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums im optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches Ursache für den Wechsel zwischen den beiden Zuständen. Anders formuliert definiert also das optische Nahfeld am Reflexionsbereich einen Kopplungsbereich der Vorrichtung, wodurch ein Einkoppeln und/oder Auskoppeln von Licht ermöglicht wird. Der Reflexionsbereich ist also ein sich auf der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur befindender zweidimensionaler Bereich, während der Kopplungsbereich, der vom optischen Nahfeld definiert ist, ein sich in den Raum erstreckender dreidimensionaler Bereich ist.
In anderen Worten handelt es sich also um eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Einkopplungsmöglichkeit von Licht aus dem externen lichtleitenden Medium, insbesondere aus einer optischen Glasfaser in die wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur, insbesondere in einen Wellenleiter eines optischen Chips und/oder um eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Auskopplungsmöglichkeit von Licht aus der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur, insbesondere aus dem Wellenleiter des optischen Chips in das externe lichtleitende Medium, insbesondere in die optische Glasfaser. Bei Anwesenheit der optischen Glaserfaser in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches auf der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur - sprich bei Anwesenheit der optischen Glaserfaser in dem Kopplungsbereich - wird das Licht also bevorzugt aus der optischen Glasfaser in die Lichtleitstruktur eingekoppelt und/oder wird das Licht also bevorzugt aus der Lichtleitstruktur in die optische Glasfaser auskoppelt.
Die Vorrichtung hat also die Funktion einer Schnittstelle, die es erlaubt, wellenleiterbasierte Lichtleitstrukturen - beispielsweise Lichtleitstrukturen eines optischen Chips - an dem Kopplungsbereich anzusprechen und Licht ein- und/oder auszukoppeln. Sie weist den Vorteil auf, dass sie kostengünstig in der Herstellung ist und einfach in optischen Chips implementiert werden kann.
Die Vorrichtung ermöglicht dabei gegenüber den im Stand der Technik bekannten Kopplern eine erhöhte Flexibilität in ihrer Funktionalität. Während Koppler aus dem Stand der Technik, wenn sie mit Lichtleitstrukturen eines optischen Chips verbaut sind, stets im optischen Chip propagierendes Licht auskoppeln, koppelt die vorliegende Vorrichtung, wenn sie mit Lichtleitstrukturen eines optischen Chips verbunden ist, Licht nur aus dem optischen Chip aus, wenn sich ein externes lichtleitendes Medium im optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches, also im Kopplungsbereich, befindet. Bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums im optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches, also bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums im Kopplungsbereich behindert die Vorrichtung nicht die Funktionalität des optischen Chips.
Somit erleichtert die Vorrichtung und insbesondere das Testsystem für eine wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur die Analyse von gefertigten optischen Chips, da das Testen von auf dem Chip gefertigten Strukturen erleichtert wird. Durch die Vorrichtung und/oder das Testsystem ist es möglich, dass die bisher zum Testen notwendige Vielzahl an Strukturen auf eine geringe Menge reduziert wird. Dadurch werden hohe Kosten und Zeit in der Herstellung und Evaluierung von optischen Chips eingespart. Weiterhin wird durch die Vorrichtung und/oder das Testsystem das gezielte Analysieren einzelner Strukturen auf optischen Chips möglich.
Zudem ermöglicht die Vorrichtung auch unterschiedliche optische Strukturen auf unterschiedlichen Chips miteinander zu verbinden, so dass Plattform-Unverträglichkeiten umgangen, optische Unterbrechungen überbrückt, und verteilte Systeme - wie das Modulsystem - erstellt werden können. Mittels der Vorrichtung kann also das Modulsystem bereitgestellt werden, das flexibel erweitert und/oder verändert werden kann, ohne dass die Vorrichtung, und insbesondere die Lichtumleitstrukturen und/oder die Grenzflächenstruktur, bei der Veränderung und/oder Erweiterung neu gefertigt werden müssen.
Die Vorrichtung umfasst die Mehrzahl an Lichtumleitstrukturen - sprich wenigstens zwei Lichtumleitstrukturen - und die Grenzflächenstruktur. Die Lichtumleitstrukturen haben die Aufgabe das Licht aus der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur aufzunehmen und/oder in die wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur abzugeben. Zu diesem Zweck sind die Lichtumleitstrukturen mit der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur verbindbar und/oder verbunden. Weiterhin sind wenigstens zwei der Lichtumleitstrukturen derart ausgestaltet, und derart mit der Grenzflächenstruktur verbunden, dass von den zwei Lichtumleitstrukturen aus der Lichtleitstruktur aufgenommenes Licht auf einen gemeinsamen Reflexionsbereich auf der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur abstrahlbar ist.
Wenn die Vorrichtung mehr als zwei Lichtumleitstrukturen umfasst, bilden bevorzugt immer zwei Lichtumleitstrukturen ein Lichtumleitstrukturenpaar, wobei die zwei Lichtumleitstrukturen eines Lichtumleitstrukturenpaars jeweils derart ausgestaltet sind, und derart mit der Grenzflächenstruktur verbunden sind, dass von den zwei Lichtumleitstrukturen des Lichtumleitstrukturenpaars aus der Lichtleitstruktur aufgenommenes Licht auf einen für das jeweilige Lichtumleitstrukturenpaar gemeinsamen Reflexionsbereich auf der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur abstrahlbar ist. In anderen Worten umfasst die Vorrichtung bevorzugt eine gerade Anzahl an Lichtumleitstrukturen, wobei jeweils immer zwei Lichtumleitstrukturen einen gemeinsamen Reflexionsbereich auf der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur definieren.
Weiter bevorzugt sind die Lichtumleitstrukturen derart ausgestaltet, dass sie das Licht unter einem definierten Winkel in die Grenzflächenstruktur abstrahlen. Derart ist es besonders einfach, dass von den zwei Lichtumleitstrukturen aus der Lichtleitstruktur aufgenommenes Licht auf den gemeinsamen Reflexionsbereich auf der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur abgestrahlt wird. Weiter bevorzugt ist der Abstrahlwinkel der zwei Lichtumleitstrukturen, die Anordnung der zwei Lichtumleitstrukturen zueinander und ein Abstand der zwei Lichtumleitstrukturen zu der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur derart aufeinander abgestimmt, dass der gemeinsame Reflexionsbereich auf der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur auf einer Spiegelsymmetrieebene liegt, wobei die Spiegelsymmetrieebene einen Transmissionsverlauf des von der ersten Lichtumleitstruktur auf den Reflexionsbereich transmittierten Lichtes, und den Transmissionsverlauf des von der zweiten Lichtumleitstruktur auf den Reflexionsbereich transmittierten Lichtes, aufeinander abbildet.
Der gemeinsame Reflexionsbereich befindet sich also bevorzugt mittig der zwei Lichtumleitstrukturen auf der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur. Bevorzugt ist also der Abstand der Lichtumleitstrukturen von der Grenzfläche an den Abstand der beiden Lichtumleitstrukturen zueinander und an den Abstrahlwinkel der beiden Lichtumleitstrukturen angepasst, damit das von einer ersten Lichtumleitstruktur abgestrahlte Licht durch Reflexion auf die zweite Lichtumleitstruktur trifft. Sind die Abstände unpassend, käme es zu einem Versatz und das von der ersten Lichtumleitstruktur abgestrahlte Licht könnte nicht mit maximaler Effizienz in die zweite Lichtumleitstruktur eingekoppelt werden. In anderen Worten wird der Reflexionsbereich also von jenem Bereich auf der Grenzfläche gebildet, bei dem die von der ersten Lichtumleitstruktur abgestrahlten einzelnen Lichtstrahlen reflektiert werden und in die zweite Lichtumleitstruktur transmittiert werden und entspricht bevorzugt der Summe aller einzelnen Reflexionspunkte der einzelnen Lichtstrahlen.
Wie bereits erwähnt wird von der Vorrichtung bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des gemeinsamen Reflexionsbereiches Licht aus der Lichtleitstruktur zwischen den zwei Lichtumleitstrukturen transmittiert, während bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium und der Lichtleitstruktur transmittiert wird.
Das optische Nahfeld und entsprechend der Kopplungsbereich der Vorrichtung wird durch die evaneszente Lichtwelle definiert. Darunter ist das Phänomen zu verstehen, dass Lichtwellen in ein Material - vorliegend das an die Grenzfläche der Grenzflächenstruktur angrenzende Material, wie beispielsweise Luft - in dem sie sich nicht ausbreiten können, eindringen und unter dessen Oberfläche abklingen. Trifft eine Lichtwelle also auf ein Medium, in dem sie sich nicht ausbreiten kann, so fällt ihre Amplitude hinter der Grenzfläche nicht direkt auf Null ab, sondern klingt exponentiell ab. Vorliegend ist unter optischen Nahfeld bevorzugt jene Distanz gemeint, bei der die Amplitude der evanszenten Welle auf 1/e abgefallen ist - was auch als Eindringtiefe bezeichnet wird. In anderen Worten ist die Eindringtiefe diejenige Distanz gemessen von der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur, bei der die evaneszente Welle beim Eindringen noch ein e-tel (ca. 37 %) der Ausgangsamplitude aufweist.
Unter dem externen lichtleitenden Medium ist vorliegend bevorzugt ein Medium zu verstehen, das Licht mittels einer lichtführenden körperlichen Struktur leitet. Beispielsweise kann es sich beim externen lichtleitenden Medium um eine optische Glasfaser oder einen dielektrischen Wellenleiter handeln. Unter dem externen lichtleitenden Medium ist vorliegend also nicht der Freiraum gemeint, der sich bezüglich der optischen Propagation homogen verhält. Stattdessen ist das externe lichtleitende Medium optisch inhomogen, weist also wenigstens eine Vorzugsrichtung für die Lichtleitung auf. Bevorzugt handelt es sich beim externen lichtleitenden Medium um eine Glasfaser.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches auf der Grenzfläche, das von einer ersten der zwei Lichtumleitstrukturen in die Grenzflächenstruktur abgestrahlte Licht an der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur durch Totalreflexion auf die zweite der zwei Lichtumleitstrukturen zurück transmittierbar ist. In anderen Worten ist also bevorzugt vorgesehen, dass an der Grenzfläche bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums für das aus der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur aufgenommene Licht Totalreflexion eintritt. Derart wird also von der Vorrichtung im leitenden Zustand das Licht vollständig in der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur gehalten.
Weiter bevorzugt ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass ein Brechungsindex eines die Grenzfläche der Grenzflächenstruktur bildenden Materials, ein Einfallswinkel auf den gemeinsamen Reflexionsbereich an der Grenzfläche, und ein Brechungsindex eines an den Reflexionsbereich auf der Grenzfläche angrenzenden Mediums derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei Anwesenheit des an den Reflexionsbereich auf der Grenzfläche angrenzenden Mediums und bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches für das aus der Lichtleitstruktur aufgenommene Licht Totalreflexion stattfindet.
Mit an den Reflexionsbereich angrenzendes Medium ist vorliegend nicht das externe lichtleitenden Medium gemeint, das wenigstens eine Vorzugsrichtung für die Lichtleitung aufweist, sondern ein optisch homogenes Medium, in dem das Licht im Freiraum propagiert. Bevorzugt handelt es sich beim an den Reflexionsbereich angrenzenden Medium um Luft.
Durch die Totalreflektion an der Grenzfläche werden im leitenden Zustand der Vorrichtung die durch die Vorrichtung verursachten Verluste des in der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur geführten optischen Signals fast ausschließlich durch die Effizienz der Aufnahme und Abgabe der Lichtumleitstrukturen bestimmt, so dass die von der Vorrichtung verursachten Verluste sehr gering sind.
In diesem Zusammenhang ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Lichtumleitstrukturen derart ausgestaltet sind, dass aus der Lichtleitstruktur aufgenommenes Licht auf den Reflexionsbereich fokussierbar ist. Dies vereinfacht es, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches auf der Grenzfläche, das von der ersten der zwei Lichtumleitstrukturen in die Grenzflächenstruktur abgestrahlte Licht an der Grenzfläche der Grenzflächenstruktur durch Totalreflexion auf die zweite der zwei Lichtumleitstrukturen zurück transmittiert wird.
Die Vorrichtung und insbesondere die Lichtleitstruktur und die Grenzflächenstruktur können unterschiedlich ausgestaltet sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtumleitstrukturen als optische Koppler ausgestaltet sind und die Grenzflächenstruktur als Mantelschicht ausgestaltet ist. Die Vorrichtung umfasst also bevorzugt eine Mehrzahl an optischen Kopplern - sprich wenigstens zwei Koppler - und die Mantelschicht, wobei die Mantelschicht auch Cladding genannt wird. Die optischen Koppler haben die Aufgabe das Licht aus der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur aufzunehmen und/oder in die wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur abzugeben. Zu diesem Zweck sind die optischen Koppler bevorzugt mit der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur verbindbar und/oder verbunden.
Weiter bevorzugt sind wenigstens zwei der optischen Koppler - nämlich bevorzugt zwei Koppler eines Kopplerpaares, derart ausgestaltet, und derart mit der Mantelschicht verbunden, dass von den zwei optischen Kopplern aus der Lichtleitstruktur aufgenommenes Licht auf den gemeinsamen Reflexionsbereich auf der Grenzfläche der Mantelschicht abstrahlbar ist.
Bevorzugt sind die zwei Koppler eines Kopplerpaares antiparallel in Reihe ausgerichtet. Weiter bevorzugt sind die zwei Koppler von der Mantelschicht eingehüllt, so dass sie Licht in die Mantelschicht abstrahlen. Bevorzugt umfasst die Mantelschicht ein dielektrisches Material und erlaubt, dass das von den Kopplern die Mantelschicht abgestrahlte Licht bis an die Grenzfläche der Mantelschicht transmittierbar ist und/oder transmittiert wird.
Der optische Koppler ist bevorzugt als Gitterkoppler ausgestaltet. Der Gitterkoppler weist den Vorteil auf, dass seine Herstellung kostengünstig und präzise möglich ist.
Weiterhin weisen die Koppler und die Mantelschicht den Vorteil auf, dass im leitenden Zustand der Vorrichtung durch die Totalreflektion an der Grenzfläche die durch die Vorrichtung verursachten Verluste des in der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur geführten optischen Signals fast ausschließlich durch die Kopplungseffizienz der Koppler und die Präzision der Platzierung bestimmt wird. Die Dicke der Mantelschicht und die Anordnung der Koppler kann sehr gut kontrolliert werden, so dass die von der Vorrichtung verursachten Verluste sehr gering sind.
Zudem ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass ein Brechungsindex der Mantelschicht, ein Einfallswinkel auf den gemeinsamen Reflexionsbereich an der Grenzfläche, und ein Brechungsindex eines an den Reflexionsbereich auf der Grenzfläche angrenzenden Mediums derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei Anwesenheit des an den Reflexionsbereich auf der Grenzfläche angrenzenden Mediums und bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches für das aus der Lichtleitstruktur aufgenommene Licht Totalreflexion stattfindet.
Wie bereits erwähnt, ist mit an den Reflexionsbereich angrenzendes Medium vorliegend nicht das externe lichtleitenden Medium gemeint, sondern ein optisch homogenes Medium, in dem das Licht im Freiraum propagiert. Beispielsweise kann es sich beim an den Reflexionsbereich angrenzenden Medium um Luft handeln. Besonders bevorzugt weist das externe lichtleitende Medium für das aus der Lichtleitstruktur aufgenommene Licht einen höheren Brechungsindex auf, als das an den Reflexionsbereich angrenzende Medium. Ob Totalreflektion an der Grenzfläche stattfindet, hängt von dem Winkel zwischen dem eintreffenden Licht am Reflexionsbereich auf der Grenzfläche ab und zudem von einem Unterschied der Brechungsindizes des Materials der Mantelschicht und des an die Grenzfläche angrenzenden Materials - also im vorliegenden Beispiel das an den Reflexionsbereich auf der Grenzfläche angrenzenden Medium, wie Luft - und lässt sich über das Snelliussche Brechungsgesetz bestimmen. Ist der Einfallswinkel zu steil oder der Unterschied der Brechungsindizes der Mantelschicht und des an den Reflexionsbereich angrenzenden Mediums zu gering, wird das Licht nur teilweise oder gar nicht reflektiert und zumindest ein Anteil würde in das an den Reflexionsbereich angrenzende Medium transmittiert werden.
In Bezug zum Brechungsindex ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Brechungsindex der Mantelschicht kleiner ist als ein Brechungsindex der Lichtleitstruktur für das in der Lichtleitstruktur geführte Licht. Derart wird auf einfache Weise sichergestellt, dass die Lichtleitstruktur ihre Funktion als Lichtleiter weiter ausüben kann, auch wenn die Lichtleitstruktur direkt mit der Mantelschicht verbunden ist.
In einer alternativen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung als eine materialeinheitliche mittels dreidimensionalem direkten Laserschreiben herstellbaren 3D-Stuktur ausgestaltet, wobei die Lichtumleitstruktur durch einen Umleitabschnitt der 3D-Struktur umfassend eine Taperregion und eine Kopplerfläche gebildet wird, und wobei die Grenzflächenstruktur durch einen Grenzflächenabschnitt der 3D-Struktur gebildet wird. Statt also zwei optische Koppler und eine Mantelschicht zu verwenden, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, ist in anderen Worten also bevorzugt vorgesehen die Vorrichtung aus genau einem Material als 3D-Struktur auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass keine Materialübergänge innerhalb der Vorrichtung vorhanden sind, die mit Verlusten für das optische Signal behaftet sein können.
Die 3D-Struktur weist also bevorzugt zwei Umleitabschnitte und den Grenzflächenabschnitt auf. Bevorzugt weist der Umleitabschnitt jeweils die Taperregion und die Kopplerfläche auf, und entspricht in seiner Funktion dem optischen Koppler. Weiter bevorzugt weist der Grenzflächenabschnitt die Grenzfläche auf, wobei der Grenzflächenabschnitt funktional der Mantelfläche entspricht. Die Ausgestaltung der Vorrichtung als 3D-Struktur hat den Vorteil, dass auf die Mantelschicht verzichtet werden kann. Das Verwenden der Mantelschicht kann dazu führen, dass die Funktion der Lichtleitstruktur oder anderer Bauteile des optischen Chips beeinträchtigt werden. Der Verzicht auf die Mantelschicht umgeht diese Einschränkungen. Zudem ist durch die Ausgestaltung der Vorrichtung als 3D-Struktur, die Vorrichtung sehr anpassungsfähig, da sie mit unterschiedlichen Materialien von optischen Chips verwendet werden kann.
Bevorzugt sind die zwei Umleitabschnitte und der Grenzflächenabschnitt der 3D-Struktur derart ausgestaltet und derart zueinander angeordnet, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches auf der Grenzfläche, das von dem ersten Umleitabschnitt der 3D-Struktur an den Grenzflächenabschnitt abgestrahlte Licht an der Grenzfläche des Grenzflächenabschnittes durch Totalreflexion auf den zweiten Umleitabschnitt zurück transmittierbar ist. In anderen Worten wird im ersten Umleitabschnitt das Licht also aus der Lichtleitstruktur aufgenommen und in den Grenzflächenabschnitt geführt. Im Grenzflächenabschnitt wird das Licht - bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches auf der Grenzfläche - totalreflektiert und vom weiteren Umleitabschnitt wieder in die Lichtleitstruktur gekoppelt.
Besonders bevorzugt ist gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Taperregion und die Kopplerfläche derart ausgestaltet sind, dass aus der Lichtleitstruktur aufgenommenes Licht in der Taperregion verbreitert wird und an der Kopplerfläche totalreflektiert wird. Derart erfährt also das Licht im Umleitabschnitt eine Richtungsänderung und wird in den Grenzflächenabschnitt der 3D-Struktur geleitet. Bevorzugt ist die Taperregion derart ausgestaltet, insbesondere genügend lange, dass das aufgenommene Licht in der Taperregion unter Beibehaltung seiner Grundmode verbreitert wird. Weiter bevorzugt ist der Einfallswinkel auf die Kopplerfläche derart, dass Totalreflexion stattfindet. Der Umleitungsabschnitt weist im Vergleich zum optischen Koppler den Vorteil einer höheren Bandbreite auf, da auf diffraktive Elemente verzichtet werden kann. Zudem ist das Verhalten der Vorrichtung weitestgehend unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass ein Brechungsindex der 3D-Stuktur, eine Neigung und/oder eine Wölbung der Kopplerfläche, ein Einfallswinkel auf den gemeinsamen Reflexionsbereich an der Grenzfläche, und ein Brechungsindex des an den Reflexionsbereich auf der Grenzfläche angrenzenden Mediums derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei Anwesenheit des an den Reflexionsbereich auf der Grenzfläche angrenzenden Mediums und bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches für das aus der Lichtleitstruktur aufgenommene Licht Totalreflexion stattfindet. Bevorzugt ist also in anderen Worten vorgesehen, dass die Neigung und der entsprechende Einfallswinkel des Lichtes auf die Kopplerfläche klein genug ist, um das Licht unter Totalreflexion zu reflektieren und groß genug ist, um das Licht mit einem ausreichenden Winkel umzuleiten, damit das Licht auf die Grenzfläche trifft. Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Abstand der Grenzfläche zu den Kopplerflächen, ein Abstand der beiden Kopplerflächen zueinander und die Neigung der Kopplerflächen aufeinander abgestimmt sind.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kopplerflächen eine Wölbung aufweisen, derart dass das Licht auf die Grenzfläche fokussiert wird. Entsprechend ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Radius der Wölbung, die Neigung der Kopplerfläche und der Abstand der Kopplerflächen zu der Grenzfläche derart aufeinander abgestimmt sind, dass das - bei Anwesenheit des an den Reflexionsbereich auf der Grenzfläche angrenzenden Mediums und bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches - an der Grenzfläche totalreflektierte Licht von der zweiten Kopplerfläche durch Totalreflexion in die Taperregion des zweiten Umleitungsabschnitts reflektiert wird. Weiter bevorzug ist die Taperregion des zweiten Umleitungsabschnitts derart ausgestaltet, dass das in die Taperregion reflektierte Licht unter Beibehaltung seiner Grundmode verkleinerbar ist und in die Lichtleitstruktur einkoppelbar ist.
Die 3D-Struktur wird bevorzugt mittels dreidimensionalem direkten Laserschreiben hergestellt. Dies weist den Vorteil auf, dass die die Effizienz der die 3D-Struktur beeinflussenden Parameter, insbesondere die Neigung und/oder die Wölbung der Kopplerflächen, der Abstand der Kopplerflächen zueinander, und/oder der Abstand der Kopplerfläche zu der Grenzfläche, im selben Fertigungsschritt kontrolliert werden, so dass die 3D-Struktur sehr präzise herstellbar ist. Entsprechend ist die Effizienz der als 3D-Struktur ausgestalteten Vorrichtung sehr hoch. Zudem ermöglicht das dreidimensionale direkte Laserschreiben eine hohe Reproduzierbarkeit.
Die 3D-Struktur umfasst bevorzugt genau ein Material, weiter bevorzugt ein Polymermaterial. Dies weist den Vorteil auf, dass das Licht während der Propagation innerhalb der als 3D-Struktur ausgestalteten Vorrichtung - also im leitenden Zustand der Vorrichtung - nicht das Medium wechselt, sondern ausschließlich in dem einen Material propagiert, wodurch Verluste reduziert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches, das von der ersten oder der zweiten der zwei Lichtumleitstrukturen in die Grenzflächenstruktur abgestrahlte Licht an der Grenzfläche durch Brechung in das externe lichtleitende Mediums transmittierbar ist.
Das Verhalten der Vorrichtung kann also geändert werden, indem die Grenzfläche der Grenzflächenstruktur am Reflexionsbereich mit dem externen lichtleitenden Medium, das bevorzugt für das in der Lichtleitstruktur geführte Licht einen höheren Brechungsindex aufweist als das an den Reflexionsbereich angrenzende Medium, in Kontakt gebracht wird und/oder indem das externe lichtleitende Medium im optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches anwesend ist. Bei einer optischen Glasfaser als externes lichtleitendes Medium kann beispielsweise die optische Glasfaser direkt in Kontakt mit der Mantelschicht oder mit dem Grenzflächenabschnitt der 3D-Struktur gebracht werden. Alternativ kann die Glasfaser nah genug an den Reflexionsbereich herangeführt werden, so dass die evaneszente Welle in die Glasfaser einkoppelt.
Insbesondere, wenn die Grenzflächenstruktur - also bevorzugt die Mantelschicht oder der Grenzflächenabschnitt der 3D-Struktur - wiederholtem, direktem Kontakt mit dem externen lichtleitenden Medium nicht standhält und/oder wenn die Kopplungseffizienz über die evaneszente Welle nicht ausreichend ist, kann durch eine auf der Grenzflächenstruktur aufgebrachte Kopplungsflüssigkeit das Koppeln vereinfacht und/oder die Effizienz verbessert werden. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Vorrichtung eine auf der Grenzflächenstruktur aufgebrachte Kopplungsflüssigkeit umfasst, und

a) dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums und bei Abwesenheit der Kopplungsflüssigkeit in dem optischen Nahfeld des gemeinsamen Reflexionsbereiches das Licht aus der Lichtleitstruktur zwischen den zwei Lichtumleitstrukturen transmitterbar ist,

b) dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass bei Anwesenheit der Kopplungsflüssigkeit in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium und der Kopplungsflüssigkeit transmittierbar ist.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der Brechungsindex der Mantelschicht und/oder der Brechungsindex der 3D-Struktur, der Einfallswinkel auf den gemeinsamen Reflexionsbereich an der Grenzfläche, und der Brechungsindex der Kopplungsflüssigkeit derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei aufgebrachter Kopplungsflüssigkeit und bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches, am Reflexionsbereich für das aus der Lichtleitstruktur aufgenommene Licht Totalreflexion stattfindet.
Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass der Brechungsindex der Mantelschicht und/oder der Brechungsindex der 3D-Struktur, der Einfallswinkel auf den gemeinsamen Reflexionsbereich an der Grenzfläche, und der Brechungsindex der Kopplungsflüssigkeit derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei aufgebrachter Kopplungsflüssigkeit und bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches, das von der ersten oder der zweiten der zwei Lichtumleitstrukturen in die Grenzflächenstruktur abgestrahlte Licht an der Grenzfläche durch Brechung in die Kopplungsflüssigkeit transmittierbar ist und/oder transmittiert wird.
Bevorzugt ist also der Brechungsindex der Kopplungsflüssigkeit und der Brechungsindex der Mantelschicht und/oder 3D-Struktur für das in der Lichtleitstruktur geführte Licht je nach gewünschtem Verhalten aufeinander abgestimmt.
Zudem ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass der Brechungsindex der Mantelschicht und/oder der Brechungsindex der 3D-Struktur, der Einfallswinkel auf den gemeinsamen Reflexionsbereich an der Grenzfläche, und der Brechungsindex der Kopplungsflüssigkeit derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei aufgebrachter Kopplungsflüssigkeit und bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums im Bereich des Reflexionsbereiches, das von der ersten oder der zweiten der zwei Lichtumleitstrukturen in die Grenzflächenstruktur abgestrahlte Licht an der Grenzfläche durch Brechung in das externe lichtleitende Mediums transmittierbar ist und/oder transmittiert wird. Die Kopplungsflüssigkeit dient also als Übertragungsmedium, wobei das externe lichtleitende Medium, beispielsweise die optische Glasfaser in die Kopplungsflüssigkeit eingetaucht werden kann und derart die Grenzflächenstruktur - spricht die Mantelschicht oder den Grenzflächenabschnitt der 3D-Struktur - nicht direkt berühren muss und/oder weiter vom Reflexionsbereich entfernt sein kann, als vom optischen Nahfeld vorgegeben.
Weiterhin erhöht die Kopplungsflüssigkeit auch die Flexibilität der Vorrichtung, indem sie ermöglicht, dass durch gezieltes Abstimmen des Brechungsindex der Kopplungsflüssigkeit auf den Brechungsindex der Mantelschicht und/oder 3D-Struktur, ein bestimmter Anteil des Lichts am Reflexionsbereich reflektiert wird und ein weiterer Anteil gebrochen wird. Ist der Brechungsindex der Kopplungsflüssigkeit beispielsweise identisch mit dem der Mantelschicht und/oder 3D-Struktur, findet am Reflexionsbereich keine Reflektion statt, während mit zunehmenden Abweichungen der reflektierte Anteil erhöht wird.
Wie bereits erwähnt betrifft die Erfindung auch das Testsystem umfassend die obige Vorrichtung und das externe lichtleitende Medium. Mittels des Testsystems können wellenleiterbasierte Lichtleitstrukturen gezielt analysiert werden, indem beispielsweise das in der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur geführte optische Signal vor einem zu untersuchenden optischen Element ausgelesen wird und mit dem optischen Signal verglichen wird, das nach dem zu untersuchenden optischen Element ausgelesen wird. Da das Auslesen des optischen Signals durch Annähern des externen lichtleitenden Mediums, bevorzugt eine optische Glasfaser, an den Reflexionsbereich die wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur nicht verändert, wird das Testen des optischen Elementes stark vereinfacht.
Wie bereits erwähnt betrifft die Erfindung auch das Lichtleitsystem umfassend die wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur und die zuvor beschriebene Vorrichtung zum Bereitstellen der Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium und der Lichtleitstruktur, wobei die Lichtumleitstrukturen mit der Lichtleitstruktur derart verbunden sind, dass Licht, das in der Lichtleitstruktur geführt wird, von den Lichtumleitstrukturen aufnehmbar ist. Bevorzugt sind also die optischen Koppler mit der Lichtleitstruktur derart verbunden, dass Licht, das in der Lichtleitstruktur geführt wird, von den optischen Kopplern aufnehmbar ist oder die Umleitabschnitte der 3D-Struktur sind mit der Lichtleitstruktur derart verbunden, dass Licht, das in der Lichtleitstruktur geführt wird, von den Umleitabschnitten aufnehmbar ist.
Das Lichtleitsystem kann also an den durch die Vorrichtung bereitgestellten Reflexionsbereichen gezielt angesprochen werden. Derart kann also beispielsweise ein in der Lichtleitstruktur geführtes optisches Signal mittels der Vorrichtung sowohl vor als auch nach einem zu untersuchenden optischen Element der Lichtleitstruktur ausgelesen werden, um den Effekt des optischen Elementes aus dem Vergleich der ausgelesenen optischen Signale zu gewinnen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Lichtleitstruktur als chipbasiertes optisches System ausgestaltet und/oder a) umfasst die Lichtleitstruktur ein Substrat und eine mit dem Substrat verbundene Wellenleiterstruktur, wobei die als optische Koppler ausgestalteten Lichtumleitstrukturen mit der Wellenleiterstruktur verbunden sind, und wobei die als Mantelschicht ausgestaltete Grenzflächenstruktur der Vorrichtung zum Bereitstellen der Kopplungsmöglichkeit auf dem Substrat, der Wellenleiterstruktur und den optischen Kopplern aufgebracht ist oder b) wobei die Lichtleitstruktur ein Substrat und eine mit dem Substrat verbundene Wellenleiterstruktur umfasst, und wobei die als Umleitabschnitte der 3D-Struktur ausgestalteten Lichtumleitstrukturen, und insbesondere die Taperregionen der Umleitabschnitte, mit der Wellenleiterstruktur verbunden sind. Ein solches chipbasiertes optisches System lässt sich besonders einfach herstellen und ist tauglich für die Massenproduktion.
Weitere technische Merkmale und Vorteile des Lichtleitsystems und/oder des Testsystems ergeben sich für den Fachmann aus der Beschreibung der Vorrichtung zum Bereitstellen der Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium und der Lichtleitstruktur.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch das Modulsystem umfassend das oben beschriebene Lichtleitsystem und das externe lichtleitende Medium. Bevorzugt umfasst das Modulsystem eine Mehrzahl an externen lichtleitenden Medien. Das Modulsystem weist den Vorteil auf, dass die externen lichtleitenden Medien an mehreren Reflexionsbereichen mit dem Lichtleitsystem - bevorzugt dem chipbasierten optischen System - gekoppelt werden können und auch ausgetauscht werden könne. Das Modulsystem ermöglicht somit Upgrades und/oder Reparaturen, ohne alle Komponenten neu produzieren zu müssen. Zudem ist es auch nicht notwendig, dass alle von dem Lichtleitsystem bereitgestellten Reflexionsbereiche mit einem externen lichtleitenden Medium besetzt sind, da nicht besetzte Reflexionsbereiche die Funktion des Lichtleitsystems nicht behindern. Für den Fall, dass ein optisches Element des Lichtleitsystems ausfällt, kann zudem über die Reflexionsbereiche ein externes lichtleitendes Medium mit einem Ersatz für das optische Element bereitgestellt werden. Ein Vorteil von Upgrades und Reparaturen ist die deutlich erhöhte Lebenserwartung des Lichtleitsystems. Darüber hinaus werden Ressourcen gespart.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zudem vorgesehen, dass das externe lichtleitende Medium als optische Glasfaser oder als optischen Chip ausgestaltet ist, oder dass das externe lichtleitende Medium als zuvor beschriebenes Lichtleitsystem ausgestaltet ist. In anderen Worten ermöglicht die Vorrichtung zum Bereitstellen der Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium und der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur nicht nur eine Kopplung mit einer optischen Glasfaser, sondern auch eine Kopplung zwischen mehreren Lichtleitsystemen, also beispielsweise eine inter-chip Kopplung.
Je nach Robustheit der Grenzflächenstruktur - sprich der Mantelschichten und/oder der Grenzflächenabschnitte der 3D-Strukturen - können die wenigstens zwei Lichtleitsysteme durch direkten Kontakt ihrer gegenseiteigen Reflexionsbereiche auf den Grenzflächen miteinander gekoppelt werden. Alternativ kann zwischen den Grenzflächenstrukturen zweier koppelnder Lichtleitsysteme die Kopplungsflüssigkeit angeordnet sein. Da die Lichtleitsysteme jeweils eine Vielzahl an Reflexionsbereichen aufweisen können, ist mehrfaches Koppeln zwischen den Lichtleitsystemen problemlos möglich. Derart bietet also das Modulsystem die Möglichkeit, verschiedene austauschbare Lichtleitsysteme vorzuhalten, die an unterschiedlichen Reflexionsbereichen eingesetzt werden können.
Weitere technische Merkmale und Vorteile des Modulsystems ergeben sich für den Fachmann aus der Beschreibung des Lichtleitsystems und der Vorrichtung zum Bereitstellen der Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium und der Lichtleitstruktur.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.
In der Zeichnung zeigt

1 eine schematische Darstellung eines Lichtleitsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Modulsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung des Modulsystems aus 2 beim Testen einer Struktur,
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Modulsystems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Modulsystems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
6 eine schematische Darstellung eines Lichtleitsystems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
7 eine schematische Darstellung eines Modulsystems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
8 eine schematische Darstellung des Modulsystems aus 7 beim Testen einer Struktur,
9 eine schematische Darstellung eines weiteren Modulsystems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
10 eine schematische Darstellung eines weiteren Modulsystems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich Beispiele, die im Rahmen der Ansprüche auf vielfältige Weise modifiziert und/oder ergänzt werden können. Jedes Merkmal, das für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben wird, kann eigenständig oder in Kombination mit anderen Merkmalen in einem beliebigen anderen Ausführungsbeispiel genutzt werden. Jedes Merkmal, dass für ein Ausführungsbeispiel einer bestimmten Kategorie beschrieben wird, kann auch in entsprechender Weise in einem Ausführungsbeispiel einer anderen Kategorie eingesetzt werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtleitsystems 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Das Lichtleitsystem 10 umfasst eine wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur 12 und eine Vorrichtung 14 zum Bereitstellen einer Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen einem externen lichtleitenden Medium 16, wie beispielsweise eine Glasfaser 16a (in 1 nicht gezeigt) und der Lichtleitstruktur 12. Vorliegend handelt es sich bei der Lichtleitstruktur 12 um einen optischen Chip 12. Der optische Chip 12 umfasst ein Substrat 18 und eine auf dem Substrat 18 aufgebrachte Wellenleiterstruktur 20. Die Wellenleiterstruktur 20 leitet Licht entlang einer Richtung durch den Chip 12, was in den Figuren mit Pfeilen 22 symbolisiert ist.
Die Vorrichtung 14 zum Bereitstellen der Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium 16 und der Lichtleitstruktur 12 umfasst eine Mehrzahl an Lichtumleitstrukturen 23, vorliegend zwei Lichtumleitstrukturen 23a, 23b, die in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als optische Koppler 24a, 24b ausgestaltet sind. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Grenzflächenstruktur 25, die vorliegend als Mantelschicht 26 ausgestaltet ist. Die optischen Koppler 24 der Vorrichtung 14 sind mit der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur 12 und insbesondere mit der Wellenleiterstruktur 20 derart verbunden, dass Licht, das in der Wellenleiterstruktur 20 geführt wird, von den optischen Kopplern 24 aufnehmbar ist. Zudem ist die Mantelschicht 26 der Vorrichtung 14 auf dem Substrat 18, der Wellenleiterstruktur 20 und den optischen Kopplern 24 aufgebracht. Die Mantelschicht 26 ist vorliegend aus einem dielektrischen Material.
Die zwei Koppler 24a, 24b der Vorrichtung 14 sind derart ausgestaltet, und derart mit der Mantelschicht 26 verbunden, dass von den zwei Kopplern 24a, 24b aus der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur 12 aufgenommenes Licht auf einen gemeinsamen Reflexionsbereich 28 auf einer Grenzfläche 30 der Mantelschicht 26 abstrahlbar ist.
Zudem ist Vorrichtung 14 derart ausgestaltet, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums 16 in einem optischen Nahfeld des gemeinsamen Reflexionsbereiches 28 - also so wie es in 1 gezeigt ist - Licht aus der Lichtleitstruktur 12 zwischen den zwei Kopplern 24a, 24b transmitterbar ist. Dafür sind die zwei Koppler 24a, 24b antiparallel in Reihe ausgerichtet. Zudem strahlen die Koppler 24a, 24b das Licht unter einem definierten Winkel in die Mantelschicht 26 ab. Der Abstrahlwinkel der zwei Koppler 24a, 24b, die Anordnung der zwei Koppler 24a, 24b zueinander und eine Dicke 32 der Mantelschicht 26 sind derart aufeinander abgestimmt, dass das von dem ersten Koppler 24a abgestrahlte Licht durch Reflexion auf den zweiten Koppler 24b trifft.
Zudem ist die Vorrichtung 14 derart ausgestaltet, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums 16 in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches 28 auf der Grenzfläche 30, das von dem ersten Koppler 24a in die Mantelschicht 26 abgestrahlte Licht an der Grenzfläche 30 durch Totalreflexion auf den zweiten Koppler 24b zurück transmittiert wird.
Dafür ist der Brechungsindex der Mantelschicht 26, ein Einfallswinkel auf den gemeinsamen Reflexionsbereich28 an der Grenzfläche 30, und ein Brechungsindex eines an den Reflexionsbereich 28 auf der Grenzfläche 30 angrenzenden Mediums 34, derart aufeinander abgestimmt, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums 16 - und somit bei Anwesenheit des an den Reflexionsbereich angrenzenden Mediums 34 - am Reflexionsbereich 28 für das aus der Lichtleitstruktur 12 aufgenommene Licht Totalreflexion stattfindet. Vorliegend handelt es sich beim an den Reflexionsbereich 28 auf der Grenzfläche 30 angrenzenden Medium 34 um Luft, also um ein optisch homogenes Medium.
Weiterhin ist die Vorrichtung 14 derart ausgestaltet, dass bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums 16 in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches 28 Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium 16 und der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur 12 transmittierbar ist. Entsprechend kann das Verhalten der Vorrichtung 14 zwischen einem leitenden Zustand, in dem das Licht in der wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur 12 gehalten wird, und einem koppelnden Zustand geändert werden, indem in das optische Nahfeld an den Reflexionsbereich 28 das externe lichtleitende Medium 16 gebracht wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Modulsystems 36 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Modulsystem 36 umfasst ein Lichtleitsystem 10, das ähnlich zu dem in 1 beschriebenen Lichtleitsystem 10 ausgestaltet ist, und ein externes lichtleitendes Medium 16. Das externe lichtleitende Medium 16 ist vorliegend eine Glasfaser 16a.
Im Unterschied zu dem Lichtleitsystem 10, das in 1 gezeigt ist, umfasst das vorliegende in 2 gezeigte Lichtleitsystem 10 in Bezug zur Vorrichtung 14 vier Koppler 24, wobei jeweils zwei Koppler 24a, 24b ein Kopplerpaar bilden, das jeweils den für das Kopplerpaar gemeinsamen Reflexionsbereich 28 definiert. Entsprechend weist die Vorrichtung 14 auch zwei Reflexionsbereiche 28 auf.
In 2 ist gut zu erkennen, dass die Vorrichtung 14 derart ausgestaltet, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums 16 in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches 28 auf der Grenzfläche 30 - wie dies beim in 2 links dargestellten Reflexionsbereich 28 der Fall ist - das von dem ersten Koppler 24a eines Kopplerpaares in die Mantelschicht 26 abgestrahlte Licht an der Grenzfläche 30 durch Totalreflexion auf den zweiten Koppler 24b des Kopplerpaares zurück transmittiert wird, und dass bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums 16 in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches 28 - wie dies beim in 2 rechts dargestellten Reflexionsbereich 28 der Fall ist - Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium 16 und der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur 12 transmittiert wird.
Mit dem in 2 gezeigten Testsystem 38 umfassend die Vorrichtung 14 und die Glasfaser 16a kann also auf einfache Weise ein optisches Element 40 der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur 12 getestet werden. Ein solcher Testvorgang ist in 3 schematisch dargestellt. Das unterschiedliche Verhalten der Vorrichtung 14, je nach Anwesenheit oder Abwesenheit der Glasfaser 16a im optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches 28, ermöglicht, dass ein optisches Signal 42 sowohl vor, als auch nach dem zu untersuchenden optischen Element 40 ausgelesen werden kann, um den Effekt des Elementes 40 aus einem Vergleich des Signals 42a vor dem Element 40 (3a) und des Signals 42b nach dem Element 40 (3b) zu gewinnen.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Modulsystems 36 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Modulsystem 36 umfasst ein Lichtleitsystem 10, das ähnlich zu dem in 1 beschriebenen Lichtleitsystem 10 ausgestaltet ist, und ein externes lichtleitendes Medium 16. Das externe lichtleitende Medium 16 ist vorliegend ebenfalls eine Glasfaser 16a.
Im Unterschied zu dem Lichtleitsystem 10, das in 1 gezeigt ist, umfasst das vorliegende in 4 gezeigte Lichtleitsystem 10 in Bezug zur Vorrichtung 14 zusätzlich eine Kopplungsflüssigkeit 44. Der Brechungsindex der Kopplungsflüssigkeit 44 ist vorliegend derart an den Brechungsindex der Mantelschicht 26 angepasst, dass am Reflexionsbereich 28 bei Anwesenheit der Kopplungsflüssigkeit 44 und bei Abwesenheit der Glasfaser 16 im optischen Nahfeld das aus der Lichtleitstruktur 12 aufgenommene Licht in die Kopplungsflüssigkeit 44 transmittiert wird. Entsprechend wird das Auskoppeln des Lichtes in die Glasfaser 14 vereinfacht, da die Glasfaser 14 zum Koppeln in diesem Fall auch weiter vom Reflexionsbereich 28 entfernt sein kann, als das optische Nahfeld.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Modulsystems 36 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Modulsystem 36 umfasst ein Lichtleitsystem 10, das ähnlich zu dem in 1 beschriebenen Lichtleitsystem 10 ausgestaltet ist, und ein externes lichtleitendes Medium 16.
Im Unterschied zu dem Lichtleitsystem 10, das in 1 gezeigt ist, umfasst das vorliegende in 5 gezeigte Lichtleitsystem 10 in Bezug zur Vorrichtung 14 analog wie in 2 vier Koppler 24, wobei jeweils zwei Koppler 24a, 24b ein Kopplerpaar bilden, das jeweils den für das Kopplerpaar gemeinsamen Reflexionsbereich 28 definiert. Entsprechend weist die Vorrichtung 14 auch zwei Reflexionsbereiche 28 auf. Zudem weist die Vorrichtung 14 in 5 analog zu 4 eine Kopplungsflüssigkeit 44 auf, deren Brechungsindex derart an den Brechungsindex der Mantelschicht 26 angepasst ist, dass am Reflexionsbereich 28 auch bei Abwesenheit des externen lichtleitende Mediums 16 im Nahfeld des Reflexionsbereiches für das aus der Lichtleitstruktur 12 aufgenommene Licht Transmission in die Kopplungsflüssigkeit 44 stattfindet.
Das externe lichtleitende Medium 16 ist im Ausführungsbeispiel in 5 allerdings keine Glasfaser 16a, sondern ein optischer Chip 16b. Der optische Chip 16b weist analog zum optischen Chip 12 ein Substrat 18 und eine auf dem Substrat 18 aufgebrachte Wellenleiterstruktur 20 auf, wobei die Wellenleiterstruktur 20 das Licht durch den Chip 16b leitet. Der Chip 16b weist zudem mit der Wellenleiterstruktur 20 verbundene optische Koppler 24 und eine Mantelschicht 26 auf, wobei die Mantelschicht 26 die Wellenleiterstruktur 20, die Koppler 24 und das Substrat 18 bedeckt.
Der im Modulsystem 36 dargestellte Chip 16b ist beliebig austauschbar. Der Chip 16b kann wie in dem Ausführungsbeispiel in 5 gezeigt, mittels der Kontaktflüssigkeit 44 mit der Vorrichtung 14 des Lichtleitsystems 10 gekoppelt sein. Alternativ kann die Mantelfläche 26 des Chips 16b direkt mit der Grenzfläche 30 der Mantelfläche 26 des Lichtleitsystems 10 in Kontakt gebracht werden. Zudem kann der Chip 16b auch als Lichtleitsystem 10 ausgestaltet sei - also auch die Vorrichtung 14 zum Bereitstellen einer Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen einem externen lichtleitenden Medium 16 und einer wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur 12 umfassen.
6 zeigt eine schematische Darstellung des Lichtleitsystems 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Das Lichtleitsystem 10 umfasst analog zu 1 die wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur 12 und eine Vorrichtung 14 zum Bereitstellen der Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium 16, wie beispielsweise der Glasfaser 16a (in 6 nicht gezeigt) und der Lichtleitstruktur 12. Vorliegend handelt es sich bei der Lichtleitstruktur 12 um einen optischen Chip 12. Der optische Chip 12 umfasst das Substrat 18 und eine auf dem Substrat 18 aufgebrachte Wellenleiterstruktur 20.
Die Vorrichtung 14 zum Bereitstellen der Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium 16 und der Lichtleitstruktur 12 umfasst eine Mehrzahl an Lichtumleitstrukturen 23 und eine Grenzflächenstruktur 25. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 14 als 3D-Stuktur 46 ausgestaltet, wobei die Lichtumleitstrukturen 23 jeweils durch einen Umleitabschnitt 48 der 3D-Struktur 46 gebildet werden und die Grenzflächenstruktur 25 durch einen Grenzflächenabschnitt 50 der 3D-Struktur 46 gebildet wird.
Der Umleitabschnitt 48 wird von einer Taperregion 52 und eine Kopplerfläche 54 gebildet. Die Umleitabschnitte 48 und insbesondere die Taperregionen 52 der 3D-Struktur 46 sind mit der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur 12 und insbesondere mit der Wellenleiterstruktur 20 derart verbunden, dass Licht, das in der Wellenleiterstruktur 20 geführt wird, in die Umleitabschnitte 48 aufnehmbar ist. Das Licht, dessen Propagationsrichtung in 6 durch die Pfeile 22 symbolisiert wird, wird aus der Wellenleiterstruktur 20 in die Taperregion 52 geführt und verbreitert. Daraufhin trifft das Licht auf die Kopplerfläche 54, die das Licht in einem vorbestimmten Winkel reflektiert - in 6 nach oben - in den Grenzflächenabschnitt 50. Das schräg nach oben reflektierte Licht trifft im Grenzflächenabschnitt 50 auf den gemeinsamen Reflexionsbereich 28 auf der Grenzfläche 30.
Der Winkel der Kopplerflächen 54 der Umleitabschnitte 48 und die Neigung zur Grenzfläche 30 ist derart, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums 16 in einem optischen Nahfeld des gemeinsamen Reflexionsbereiches 28 - also so wie es in 6 gezeigt ist - Licht aus der Lichtleitstruktur 12 zwischen den zwei Umleitabschnitten 48 der 3D-Struktur 46 transmitterbar ist. Das Licht wird also an der Grenzfläche 30 bei Anwesenheit von Luft totalreflektiert und in den zweiten Umleitabschnitt 48 der 3D-Struktur 46 geführt. Dort wird es wieder an der Kopplerfläche 54 reflektiert, durch die Taperregion 52 verkleinert und in die Wellenleiterstruktur 20 eingekoppelt.
Die Taperregion 52 verbreitert bzw. verkleinert das Licht langsam genug, damit das Licht in der gewünschten Grundmode verbleibt. Weiterhin ist die Neigung der Kopplerflächen 54 derart gewählt, dass das Licht an der Kopplerfläche 54 totalreflektiert wird und mit einem ausreichenden Winkel nach oben abgelenkt wird. Zudem ist der senkrechte Abstand 56 der Kopplerfläche 54 zur Grenzfläche 30 und der Abstand 58 zwischen zwei Kopplerflächen 54 derart, dass das an der Grenzfläche 30 reflektierte Licht vollständig in die Wellenleiterstruktur 20 eingekoppelt wird. Die Kopplerflächen 54 sind zudem gewölbt, derart dass das Licht auf den Reflexionsbereich 28 auf der Grenzfläche 30 fokussiert wird.
Zudem ist der Brechungsindex des Materials der 3D-Struktur derart, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums in dem optischen Nahfeld des gemeinsamen Reflexionsbereiches 28 Licht aus der Lichtleitstruktur 12 zwischen den zwei Kopplerflächen 54 transmittiert wird und bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums 16 in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches 28 Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium 16 und der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur 12 transmittiert wird.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Modulsystems 36 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Modulsystem 36 umfasst ein Lichtleitsystem 10, das ähnlich zu dem in 6 beschriebenen Lichtleitsystem 10 ausgestaltet ist, und ein externes lichtleitendes Medium 16. Das externe lichtleitende Medium 16 ist vorliegend eine Glasfaser 16a.
Im Unterschied zu dem Lichtleitsystem 10, das in 6 gezeigt ist, umfasst das vorliegende in 7 gezeigte Lichtleitsystem 10 in Bezug zur Vorrichtung 14 zwei 3D-Strukturen 46. In 7 ist gut zu erkennen, dass die Vorrichtung 14 derart ausgestaltet, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums 16 in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches 28 auf der Grenzfläche 30 - wie dies beim in 4 links dargestellten Reflexionsbereich 28 der Fall ist - das Licht innerhalb der 3D-Struktur 46 gehalten wird und an der Grenzfläche 30 totalreflektiert wird, und dass bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums 16 in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches 28 - wie dies beim in 7 rechts dargestellten Reflexionsbereich 28 der Fall ist - Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium 16 und der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur 12 transmittiert wird.
Mit dem in 7 gezeigten Testsystem 38 umfassend die 3D-Strukturen 46 und die Glasfaser 16a kann also auf einfache Weise ein optisches Element 40 der wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur 12 getestet werden. Ein solcher Testvorgang ist in 8 schematisch dargestellt. Das unterschiedliche Verhalten der Vorrichtung 14, je nach Anwesenheit oder Abwesenheit der Glasfaser 16a im optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches 28, ermöglicht, dass ein optisches Signal 42 sowohl vor, als auch nach dem zu untersuchenden optischen Element 40 ausgelesen werden kann, um den Effekt des Elementes 40 aus einem Vergleich des Signals 42a vor dem Element 40 (8a) und des Signals 42b nach dem Element 40 (8b) zu gewinnen.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Modulsystems 36 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Modulsystem 36 umfasst ein Lichtleitsystem 10, das ähnlich zu dem in 6 beschriebenen Lichtleitsystem 10 ausgestaltet ist, und ein externes lichtleitendes Medium 16. Das externe lichtleitende Medium 16 ist vorliegend ebenfalls eine Glasfaser 16a.
Im Unterschied zu dem Lichtleitsystem 10, das in 6 gezeigt ist, umfasst das vorliegende in 9 gezeigte Lichtleitsystem 10 in Bezug zur Vorrichtung 14 zusätzlich eine Kopplungsflüssigkeit 44. Der Brechungsindex der Kopplungsflüssigkeit 44 ist vorliegend derart an den Brechungsindex des Materials der 3D-Struktur 46 angepasst, dass am Reflexionsbereich 28 bei Anwesenheit der Kopplungsflüssigkeit 44 und bei Abwesenheit der Glasfaser 16a im optischen Nahfeld das aus der Lichtleitstruktur 12 aufgenommene Licht in die Kopplungsflüssigkeit 44 transmittiert wird. Entsprechend wird das Auskoppeln des Lichtes in die Glasfaser 16a vereinfacht, da die Glasfaser 16a zum Koppeln in diesem Fall auch weiter vom Reflexionsbereich 28 entfernt sein kann, als das optische Nahfeld.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Modulsystems 36 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Modulsystem 36 umfasst ein Lichtleitsysteme 10, das analog zu dem in 9 beschriebenen Lichtleitsystem 10 ausgestaltet ist, und ein weiteres Lichtleitsystem 10, das analog zu dem in 6 ausgestaltet ist. In anderen Worten ist das externe lichtleitende Medium 16 im Ausführungsbeispiel in 10 keine Glasfaser 16a, sondern ein optischer Chip 12, der mit der als 3D-Struktur 46 ausgestalteten Vorrichtung 14 ausgestattet ist.
Die Kopplungsflüssigkeit 44 schafft also eine „optische Verbindung“ zwischen der ersten 3D-Struktur 46a des ersten Lichtleitsystems 10 und der zweiten über Kopf stehenden 3D-Struktur 46b des zweiten Lichtleitsystems 10. Der Brechungsindex der Kopplungsflüssigkeit 44 ist derart an den Brechungsindex des Materials der 3D-Strukturen 46a, 46b angepasst, dass am Reflexionsbereich 28 auch bei Abwesenheit der 3D-Struktur 46b des zweiten Lichtleitsystems 10 im Nahfeld des Reflexionsbereiches für das im optischen Chip 12 geführte Licht Transmission in die Kopplungsflüssigkeit 44 stattfindet.
Bezugszeichenliste

10: Lichtleitsystem
12: wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur, optischer Chip
14: Vorrichtung zum Bereitstellen einer Kopplungsmöglichkeit
16: externes lichtleitendes Medium
16a: Glasfaser
16b: optischer Chip
18: Substrat
20: Wellenleiterstruktur
22: Pfeil, Richtung der Lichtpropagation
23: Lichtumleitstruktur
24: optischer Koppler, Gitterkoppler
25: Grenzflächenstruktur
26: Mantelschicht
28: Reflexionsbereich
30: Grenzfläche
32: Dicke der Mantelschicht
34: an den Reflexionsbereich angrenzendes Medium, Luft
36: Modulsystem
38: Testsystem
40: optisches Element
42a: optisches Signal vor dem optischen Element
42b: optisches Signal nach dem optischen Element
44: Kopplungsflüssigkeit
46: 3D-Struktur
48: Umleitabschnitt
50: Grenzflächenabschnitt
52: Taperregion
54: Kopplerfläche
56: senkrechter Abstand zwischen Kopplerfläche und Grenzfläche
58: Abstand zwischen zwei Kopplerflächen

Claims

Vorrichtung (14) zum Bereitstellen einer Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen einem externen lichtleitenden Medium (16) und einer wellenleiterbasierten Lichtleitstruktur (12) umfassend eine Mehrzahl an Lichtumleitstrukturen (23) und eine Grenzflächenstruktur (25), wobei die Lichtumleitstrukturen (23) derart mit der Lichtleitstruktur (12) verbindbar sind, dass Licht, das in der Lichtleitstruktur (12) geführt wird, von den Lichtumleitstrukturen (23) aufnehmbar ist, wobei wenigstens zwei Lichtumleitstrukturen (23a, 23b) derart ausgestaltet sind, und derart mit der Grenzflächenstruktur (25) verbunden sind, dass von den zwei Lichtumleitstrukturen (23a, 23b) aus der Lichtleitstruktur (12) aufgenommenes Licht auf einen gemeinsamen Reflexionsbereich (28) auf einer Grenzfläche (30) der Grenzflächenstruktur (25) abstrahlbar ist, wobei die Lichtumleitstrukturen (23) derart ausgestaltet sind, dass aus der Lichtleitstruktur (12) aufgenommenes Licht auf den Reflexionsbereich (28) fokussierbar ist, und a) wobei die Vorrichtung (14) derart ausgestaltet ist, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums (16) in einem optischen Nahfeld des gemeinsamen Reflexionsbereiches (28) Licht aus der Lichtleitstruktur (12) zwischen den zwei Lichtumleitstrukturen (23a, 23b) transmitterbar ist, und/oder b) wobei die Vorrichtung (14) derart ausgestaltet ist, dass bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums (16) in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches (28) Licht zwischen dem externen lichtleitenden Medium (16) und der Lichtleitstruktur (12) transmittierbar ist.
Vorrichtung (14) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (14) derart ausgestaltet ist, dass bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums (16) in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches (28) auf der Grenzfläche (30), das von einer ersten der zwei Lichtumleitstrukturen (23a, 23b) in die Grenzflächenstruktur (25) abgestrahlte Licht an der Grenzfläche (30) der Grenzflächenstruktur (25) durch Totalreflexion auf den zweiten der zwei Lichtumleitstrukturen (23a, 23b) zurück transmittierbar ist.
Vorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtumleitstrukturen (23) als optische Koppler (24) ausgestaltet sind und die Grenzflächenstruktur (25) als Mantelschicht (26) ausgestaltet ist.
Vorrichtung (14) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Brechungsindex der Mantelschicht (26), ein Einfallswinkel auf den gemeinsamen Reflexionsbereich (28) an der Grenzfläche (30), und ein Brechungsindex eines an den Reflexionsbereich (28) auf der Grenzfläche angrenzenden Mediums (34) derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei Anwesenheit des an den Reflexionsbereich (28) auf der Grenzfläche (30) angrenzenden Mediums (34) und bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums (16) in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches (28) für das aus der Lichtleitstruktur (12) aufgenommene Licht Totalreflexion stattfindet.
Vorrichtung (14) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei ein Brechungsindex der Mantelschicht (26) kleiner ist als ein Brechungsindex der Lichtleitstruktur (12) für das in der Lichtleitstruktur (12) geführte Licht.
Vorrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (14) als eine materialeinheitliche mittels dreidimensionalem direkten Laserschreiben herstellbare 3D-Stuktur (46) ausgestaltet ist, wobei die Lichtumleitstruktur (23) durch einen Umleitabschnitt (48) der 3D-Struktur (46) umfassend eine Taperregion (52) und eine Kopplerfläche (54) gebildet wird, und wobei die Grenzflächenstruktur (25) durch einen Grenzflächenabschnitt (50) der 3D-Struktur (46) gebildet wird.
Vorrichtung (14) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Taperregion (52) und die Kopplerfläche (54) derart ausgestaltet sind, dass aus der Lichtleitstruktur (12) aufgenommenes Licht in der Taperregion (52) verbreitert wird und an der Kopplerfläche (54) totalreflektiert wird.
Vorrichtung (14) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei ein Brechungsindex der 3D-Stuktur (46), eine Neigung und/oder eine Wölbung der Kopplerfläche (54), ein Einfallswinkel auf den gemeinsamen Reflexionsbereich (28) an der Grenzfläche (30), und ein Brechungsindex eines an den Reflexionsbereich (28) auf der Grenzfläche angrenzenden Mediums (34) derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei Anwesenheit des an den Reflexionsbereich (28) auf der Grenzfläche (30) angrenzenden Mediums (34) und bei Abwesenheit des externen lichtleitenden Mediums (16) in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches (28) für das aus der Lichtleitstruktur (12) aufgenommene Licht Totalreflexion stattfindet.
Vorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (14) derart ausgestaltet ist, dass bei Anwesenheit des externen lichtleitenden Mediums (16) in dem optischen Nahfeld des Reflexionsbereiches (28), das von der ersten oder der zweiten der zwei Lichtumleitstrukturen (23a, 23b) in die Grenzflächenstruktur (25) abgestrahlte Licht an der Grenzfläche (30) durch Brechung in das externe lichtleitende Medium (16) transmittierbar ist.
Vorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (14) eine auf der Grenzflächenstruktur (25) aufgebrachte Kopplungsflüssigkeit (44) umfasst.
Testsystem (38) für eine wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur (12) umfassend eine Vorrichtung (14) zum Bereitstellen einer Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen einem externen lichtleitenden Medium (16) und der Lichtleitstruktur (12) nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, und das externe lichtleitende Medium (16).
Lichtleitsystem (10) umfassend eine wellenleiterbasierte Lichtleitstruktur (12) und eine Vorrichtung (14) zum Bereitstellen einer Kopplungsmöglichkeit für Licht zwischen einem externen lichtleitenden Medium (16) und der Lichtleitstruktur (12) nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, wobei die Lichtumleitstrukturen (23) mit der Lichtleitstruktur (12) derart verbunden sind, dass Licht, das in der Lichtleitstruktur (12) geführt wird, von den Lichtumleitstrukturen (23) aufnehmbar ist.
Lichtleitsystem (10) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Lichtleitstruktur (12) als chipbasiertes optisches System ausgestaltet ist und/oder a) wobei die Lichtleitstruktur ein Substrat (18) und eine mit dem Substrat (18) verbundene Wellenleiterstruktur (20) umfasst, wobei die als optische Koppler (24) ausgestalteten Lichtumleitstrukturen (23) mit der Wellenleiterstruktur (20) verbunden sind, und wobei die als Mantelschicht (26) ausgestaltete Grenzflächenstruktur (25) der Vorrichtung (14) zum Bereitstellen der Kopplungsmöglichkeit auf dem Substrat (18), der Wellenleiterstruktur (20) und den optischen Kopplern (24) aufgebracht ist, oder b) wobei die Lichtleitstruktur ein Substrat (18) und eine mit dem Substrat (18) verbundene Wellenleiterstruktur (20) umfasst, und wobei die als Umleitabschnitte (48) einer 3D-Struktur (46) ausgestalteten Lichtumleitstrukturen (23), und insbesondere Taperregionen (54) der Umleitabschnitte (48), mit der Wellenleiterstruktur (20) verbunden sind.
Modulsystem (36) umfassend ein Lichtleitsystem (10) nach einem der vorherigen Lichtleitsystemansprüche und ein externes lichtleitendes Medium (16).
Modulsystem (36) nach dem vorherigen Anspruch oder Testsystem (38) nach Anspruch 12, wobei das externe lichtleitende Medium (16) als optische Glasfaser (16a) oder als optischer Chip (16b) ausgestaltet ist, oder wobei das externe lichtleitende Medium (16) als Lichtleitsystem (10) nach einem der vorherigen Lichtleitsystemansprüche ausgestaltet ist.