DE19613755A1

DE19613755A1 - Optical coupler for light guide structures

Info

Publication number: DE19613755A1
Application number: DE19613755A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Kersten; Axel Dr Rer Nat Klekamp; Kaspar Dipl Phys Duetting; Werner Dr Rer Nat Rehm
Original assignee: Alcatel SEL AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1996-04-06
Filing date: 1996-04-06
Publication date: 1997-10-09

Abstract

The coupling device for light guide structures (SCL1, WG1) comprises a substrate-supported imaging element (CE1) with a refractive index varying in the vertical direction (i.e. perpendicular to the substrate plane) to achieve focussing of a transmitted light beam in the vertical direction. The imaging element boundary faces, perpendicular to the substrate plane, are shaped to achieve focussing of a transmitted light beam also in the lateral direction (i.e. parallel to the substrate plane and perpendicular to the light beam propagation direction).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kopplung lichtleitender Strukturen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn das von einem Halbleiterlaser emittierte Licht mit hohem Koppelwirkungsgrad und ohne aktive Justierungs-Schritte in einen Glasfaser-Lichtwellenleiter oder einen optischen Wellenleiter eingekoppelt werden soll.The invention relates to a device for coupling light-conducting Structures according to the preamble of claim 1. The invention is can be used particularly advantageously if that of a Semiconductor laser emits light with high coupling efficiency and without active adjustment steps in one Optical fiber or an optical waveguide should be coupled.

Eines der Grundprobleme der Mikrooptik ist es, das aus einer lichtleitenden Struktur austretende Licht in eine andere lichtleitende Struktur einzukoppeln. Unter lichtleitenden Strukturen werden hier alle Anordnungen verstanden, bei denen ein Bereich mit einem ersten Brechungsindex so von einem Bereich mit einem zweiten, niedrigeren Brechungsindex umgeben ist, daß eine Lichtführung im ersten Bereich erzielt wird. Licht leitende Strukturen in diesem Sinne sind beispielsweise Glasfaser-Lichtwellenleiter (im folgenden vereinfacht als Glasfasern bezeichnet), alle bekannten Arten von optischen Wellenleitern, aber auch lichtverstärkende oder lichterzeugende optoelektronische Bauelemente wie Faserverstärker oder Halbleiter-Laserdioden. Der Begriff "Licht" umfaßt hier, wie in der Optoelektronik üblich, auch die nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich. One of the basic problems of micro-optics is that of one light-guiding structure emerging light into another Coupling the light-guiding structure. Under light guiding Structures are understood here as all arrangements in which a Area with a first refractive index so from an area with is surrounded by a second, lower refractive index that a Light guidance is achieved in the first area. Light guiding Structures in this sense are, for example Glass fiber optical waveguide (hereinafter simplified as Called glass fibers), all known types of optical Waveguides, but also light-amplifying or light-generating optoelectronic components such as fiber amplifiers or Semiconductor laser diodes. The term "light" here, as in the Optoelectronics common, even the invisible electromagnetic Radiation in the infrared range.

Zur Lösung des angesprochenen Grundproblems existieren verschiedene Ansätze. Ein Ansatz besteht darin, zwischen die anzukoppelnden lichtleitenden Strukturen Kugellinsen zu positionieren. Beispiele für die Berechnung solcher Kugellinsen finden sich in einem Aufsatz von H. Karstensen et al., "Linsenoptik für Lasermodule mit Monomode-Anschlußfaser", Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Band 16 (1987), Seiten 141-146. Die Kugellinsen werden meist passiv justiert. Bei diesen passiven Justierungen ist die Lagegenauigkeit durch sehr präzise herstellbare, i.A. lithographisch definierte Strukturen gewährleistet. Für Kugellinsen wählt man als Justierstruktur meist pyramidenförmige Vertiefungen, die in ein Substrat geätzt sind. In diese Vertiefungen werden die Kugellinsen eingeklebt.Various solutions exist to solve the basic problem mentioned Approaches. One approach is to connect between those to position light-guiding structures spherical lenses. Examples for the calculation of such spherical lenses can be found in an article by H. Karstensen et al., "Lens optics for laser modules with Single-mode connecting fiber ", Siemens research and Development Reports, Volume 16 (1987), pages 141-146. The Ball lenses are usually adjusted passively. With these passive Adjustments is the position accuracy through very precise producible, generally structures defined by lithography guaranteed. For ball lenses, one usually chooses the adjustment structure pyramid-shaped depressions that are etched into a substrate. In the ball lenses are glued into these recesses.

Kugellinsen ermöglichen eine optische Abbildung sowohl in vertikaler als auch in lateraler Richtung. Allerdings ist die Brennweite in beiden Richtungen identisch. Höchste Koppelwirkungsgrade können daher nur dann erreicht werden, wenn die wellenführenden Bereiche, die gekoppelt werden sollen, identische oder zumindest sehr ähnliche Querschnittsflächen und Abmessungen haben. Man spricht in diesem Zusammenhang auch davon, daß die Modenfelder der wellenführenden Bereiche übereinstimmen müssen. Unter einem Modenfeld wird die räumliche Intensitätsverteilung des Lichts verstanden, welche sich in einer lichtleitenden Struktur ausbilden kann. Die Modenfeldabmessungen hängen u. a. ab von der Lichtwellenlänge und der Geometrie der lichtleitenden Struktur.Ball lenses allow optical imaging both in vertical as well as lateral direction. However, it is Focal length identical in both directions. Highest Coupling efficiencies can therefore only be achieved if the wave-guiding areas that are to be coupled, identical or at least very similar cross-sectional areas and dimensions to have. In this context one also speaks of the fact that the Mode fields of the wave-guiding areas must match. The spatial intensity distribution of the Light understood, which is in a light-guiding structure can train. The mode field dimensions depend u. a. from the Light wavelength and the geometry of the light-guiding structure.

Der entscheidende Nachteil der Kugellinsen als Abbildungselemente liegt jedoch in deren Größe. Typische Kugel-Durchmesser sind 1 bis 2 mm. Die Vertiefungen im Substrat müssen daher sehr tief sein, wodurch der Ätzprozeß erschwert wird. Wegen der Größe der Kugeln ist es außerdem nicht möglich, die von einem Laserarray emittierten Lichtstrahlen in eine entsprechende Anzahl paralleler Lichtwellenleiter zu koppeln. Dies liegt daran, daß bei den verfügbaren Laserarrays die Licht-Austrittsöffnungen so dicht beieinander liegen, daß für eine entsprechende Anzahl von Kugellinsen kein Platz besteht. Eine Verkleinerung der Kugellinsen ist nicht ohne weiteres möglich, da deren Handhabbarkeit, z. B. beim Einkleben in die Vertiefungen, sonst sehr schwierig wird. Wenn Kugellinsen passiv in pyramidalen Vertiefungen justiert werden sollen, so ergibt sich außerdem die Schwierigkeit, daß beim Ätzen der Vertiefungen die Ätzzeit sehr genau bestimmt werden muß. Schon kleinste Fehler bei dieser Bestimmung führen nämlich dazu, daß die Höhe der Kugellinse gegenüber den lichtleitenden Strukturen vom Sollwert abweicht und der Koppelwirkungsgrad sich damit erheblich verschlechtert.The crucial disadvantage of spherical lenses as imaging elements lies in their size. Typical ball diameters are 1 to 2 mm. The depressions in the substrate must therefore be very deep, making the etching process difficult. Because of the size of the balls it is also not possible for those emitted by a laser array Light rays in a corresponding number of parallel To couple optical fibers. This is because the available laser arrays the light exit openings so tight are close together that for a corresponding number of Ball lenses there is no space. A reduction in the size of the spherical lenses is not easily possible because their manageability, e.g. B. at Glue into the wells, otherwise it will be very difficult. If Ball lenses can be adjusted passively in pyramidal recesses there is also the difficulty that when etching the etching time must be determined very precisely. Beautiful The smallest errors in this determination cause the Height of the spherical lens compared to the light guiding structures from The setpoint deviates and the coupling efficiency thus increases considerably worsened.

Ein anderer Ansatz zur Lösung des Kopplungsproblems ist aus der US-PS 4025157 bekannt. Die dort beschriebene Koppellinse weist die im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmale auf. Dort ist außerdem die Möglichkeit vorgesehen, auch in lateraler Richtung einen Brechungsindexgradienten zu erzeugen. Diese rechteckig geformte Halbleiterlinse ermöglicht somit eine voneinander unabhängige Fokussierung sowohl in vertikaler als auch in lateraler Richtung.Another approach to solving the coupling problem is from the US-PS 4025157 known. The coupling lens described there has the features mentioned in the preamble of claim 1. There is also the possibility provided, also in the lateral direction to generate a refractive index gradient. This rectangular shaped semiconductor lens thus enables one from the other independent focusing in both vertical and lateral Direction.

Der dort vorgeschlagene vertikale Brechungsindexgradient läßt sich vergleichsweise einfach herstellen. Äußerst schwierig ist hingegen die Herstellung eines lateralen Brechungsindexgradienten, vor allem, wenn gleichzeitig dazu auch ein vertikaler Brechungsindexgradient erzeugt werden soll.The vertical refractive index gradient proposed there can be comparatively easy to manufacture. However, it is extremely difficult the preparation of a lateral refractive index gradient especially if at the same time a vertical one Refractive index gradient should be generated.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein optisches Koppelelement zu schaffen, welches es erlaubt, beliebige lichtleitende Strukturen miteinander zu koppeln. Das zu schaffende Koppelelement soll insbesondere in der Lage sein, Modenfelder unterschiedlicher lichtleitender Strukturen aneinander anzupassen, d. h. eine unabhängige Fokussierung sowohl in vertikaler als auch in lateraler Richtung durchzuführen. The object underlying the present invention is in creating an optical coupling element that allows to couple any light-guiding structures with each other. That too creating coupling element should in particular be able Mode fields of different light-guiding structures together adapt, d. H. an independent focus in both to perform vertically as well as in the lateral direction.

Darüberhinaus soll das Koppelelement einfach herstellbar sein und vielfältig eingesetzt werden können, insbesondere bei der Kopplung von Laserarrays an Lichtwellenleiter. Außerdem soll die damit erzielbare Kopplung keine aktiven Justierungsschritte erfordern. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale. Wesentlich für die Erfindung ist, daß die Abbildungswirkung des Koppelelements sowohl durch einen Brechungsindexgradienten im Koppelelement als auch durch gekrümmte brechende Flächen zustandekommt. Die vorgeschlagene Lösung unterscheidet sich somit deutlich vom Stand der Technik. Dort entsteht eine Fokussionswirkung entweder, wie im Falle der Halbleiterlinsen, nur aufgrund eines Brechungsindexgradienten oder aber, wie im Falle der Kugellinsen, ausschließlich aufgrund der Brechung an gekrümmten Grenzflächen.In addition, the coupling element should be easy to manufacture and can be used in many ways, especially in coupling from laser arrays to optical fibers. In addition, it should achievable coupling do not require any active adjustment steps. The invention solves this problem with the help of claim 1 characteristics listed. It is essential for the invention that Imaging effect of the coupling element by both Refractive index gradients in the coupling element as well as by curved ones breaking surfaces. The proposed solution therefore differs significantly from the prior art. There there is a focus effect either, as in the case of the Semiconductor lenses, only due to a refractive index gradient or but, as in the case of the spherical lenses, only because of the Refraction at curved interfaces.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The invention is based on the drawings and the Exemplary embodiments explained. Show it:

Fig. 1 eine schematische, nicht maßstäbliche Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; Figure 1 is a schematic, not to scale representation of a preferred embodiment of the invention.

Fig. 2a eine Darstellung, wie ein divergierender Lichtstrahl in vertikaler Richtung durch das in Fig. 1 dargestellte Koppelelement CE1 fokussiert und kollimiert wird; FIG. 2a shows how a diverging light beam is focused and collimated in the vertical direction by the coupling element CE1 shown in FIG. 1;

Fig. 2b eine Darstellung, wie ein divergierender Lichtstrahl in lateraler Richtung durch das in Fig. 1 dargestellte Koppelelement CE1 fokussiert und kollimiert wird; FIG. 2b shows a representation of focus, as a diverging light beam in the lateral direction by the coupling element shown in Figure 1 CE1 and is collimated.

Fig. 2c eine Darstellung, wie sich bei dem in Fig. 1 dargestellten Koppelelement CE1 der Brechungsindex n in vertikaler Richtung (y-Richtung) verändert; FIG. 2c shows how the refractive index n changes in the vertical direction (y direction) in the coupling element CE1 shown in FIG. 1;

Fig. 3 eine schematische, nicht maßstäbliche Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Halbleiterlaser an eine Glasfaser angekoppelt ist; Figure 3 is a schematic, not to scale, of an embodiment of the invention in which a semiconductor laser is coupled to an optical fiber.

Fig. 4 eine vereinfachte, nicht maßstäbliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem ein erfindungsgemäßes Koppelelement ein Halbleiterlaser-Array an eine Anordnung paralleler optischer Wellenleiter koppelt; Fig. 4 is a simplified, not to scale, of an embodiment of the invention in which an inventive coupling element couples a semiconductor laser array to an array of parallel optical waveguide;

Fig. 5a eine schematische Darstellung der Fokussierung in lateraler Richtung durch eine Kugellinse; Figure 5a is a schematic representation of the focus in the lateral direction through a ball lens.

Fig. 5b eine schematische Darstellung der Fokussierung in lateraler Richtung durch ein erfindungsgemäßes Koppelelement; Figure 5b is a schematic representation of the focus in the lateral direction through an inventive coupling element.

Fig. 6a-6c zur Substatebene parallele Schnitte durch verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. FIGS. 6a-6c parallel to Substatebene sections through different embodiments of the invention.

In den Figuren einander entsprechende Bauteile sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.Corresponding components in the figures are the same Reference numbers marked.

Die Erfindung wird zunächst anhand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eingehend erläutert. Dabei wird auch die Herstellung des erfindungsgemäßen Koppelelements beschrieben. Die weiteren Abschnitte gehen auf vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung ein.The invention is first explained in detail on the basis of the exemplary embodiment shown in FIG. 1. The production of the coupling element according to the invention is also described. The further sections deal with advantageous exemplary embodiments of the invention.

In Fig. 1 ist ein Substrat SUB dargestellt, welches als optische Bank für darauf zu befestigende Bauelemente dient. Das Substrat besteht in diesem Beispiel aus einem Silizium-Einkristall. Bei dem Substrat kann es sich aber auch um jede andere Struktur handeln, die geeignet ist, als Träger für weitere Bauelemente zu dienen. Auf der linken Seite des Substrats SUB befindet sich ein Halbleiterlaser SCL1. Dies Darstellung ist schematisch und nicht maßstäblich; elektrische Anschlußleitungen u. ä. sind nicht abgebildet. In Fig. 1, a substrate SUB is shown, which serves as an optical bench for it to be fastened components. In this example, the substrate consists of a silicon single crystal. However, the substrate can also be any other structure which is suitable for serving as a carrier for further components. A semiconductor laser SCL1 is located on the left side of the substrate SUB. This representation is schematic and not to scale; electrical connection lines and. are not shown.

Auf der rechten Seite des Substrats befindet sich eine lichtleitende Struktur WG1, welche in diesem Ausführungsbeispiel als vergrabener Streifenwellenleiter ausgeführt ist. Das dazwischen liegende erfindungsgemäße Koppelelement CE1 koppelt das vom Halbleiterlaser SC1 emittierte Licht in den optischen Wellenleiter WG1 ein. Der Halbleiterlaser SCL1 kann beispielsweise in Flip-Chip-Technik auf dem Substrat SUB befestigt werden, wodurch eine hohe Lagegenauigkeit gewährleistet wird. Der optische Wellenleiter WG1 ist eine nach üblichen Verfahren auf dem Substrat SUB abgeschiedene Schichtstruktur.There is one on the right side of the substrate light-conducting structure WG1, which in this embodiment is designed as a buried strip waveguide. The in between lying coupling element CE1 couples the from Semiconductor laser SC1 emitted light into the optical waveguide WG1 on. The semiconductor laser SCL1 can, for example, in Flip-chip technology can be attached to the substrate SUB, whereby a high level of accuracy is guaranteed. The optical one Waveguide WG1 is a conventional method on the substrate SUB deposited layer structure.

Anhand der Fig. 2a bis 2c wird nun die Funktionsweise des Koppelelements CE1 erläutert. Fig. 2a zeigt das in Fig. 1 räumlich dargestellte Koppelelement CE1 in einem seitlichen Schnitt. Das von einer hier als punktförmig angenommenen Quelle S emittierte Lichtbündel weitet sich im Zwischenraum auf, trifft auf die Frontseite des Koppelelements CE1 und wird dort gebrochen. Die beiden exemplarischen Strahlen B1 und B2 zeigen, wie das Strahlenbündel in der abgebildeten Schnittebene des Koppelelements geformt wird. Wie in Fig. 2c dargestellt, ist der Brechungsindex am oberen und unteren Rand des Koppelelements kleiner als in der Mitte. Dadurch wird das Licht in der in Fig. 2a dargestellten Weise in vertikaler Richtung fokussiert. Durch geeignete Wahl des Brechungsindexgradienten läßt sich demnach der Öffnungswinkel des Lichtbündels in vertikaler Richtung in weiten Grenzen verändern.The mode of operation of the coupling element CE1 will now be explained with reference to FIGS . 2a to 2c. FIG. 2a shows the coupling element CE1 shown spatially in FIG. 1 in a lateral section. The light beam emitted by a source S, which is assumed to be punctiform here, widens in the intermediate space, strikes the front side of the coupling element CE1 and is broken there. The two exemplary beams B1 and B2 show how the beam is shaped in the sectional plane of the coupling element shown. As shown in Fig. 2c, the refractive index at the top and bottom of the coupling element is smaller than in the middle. As a result, the light is focused in the vertical direction in the manner shown in FIG. 2a. Appropriate choice of the refractive index gradient means that the opening angle of the light beam in the vertical direction can be varied within wide limits.

Fig. 2b zeigt das in Fig. 1 dargestellte Koppelelement CE1 in einem zur Substratebene parallelen Schnitt. Die von der gleichen punktförmigen Quelle S ausgehenden Strahlen B3, B4 treffen auf die gekrümmte Frontseite des Koppelelements. Innerhalb der in Fig. 2b dargestellten Ebene ist der Brechungsindex konstant. In dieser Ebene, d. h. in lateraler Richtung, kommt es zur Fokussierung allein aufgrund der gekrümmten vorderen und hinteren Begrenzungsfläche des Koppelelements. Die Krümmungen der Grenzflächen hängen davon ab, wie der Lichtstrahl in lateraler Richtung geformt werden soll. Bei Vorgabe der gewünschten Strahlformung lassen sich die Krümmungen mit den Methoden der Strahlenoptik bestimmen. FIG. 2b shows the coupling element CE1 shown in FIG. 1 in a section parallel to the substrate plane. The rays B3, B4 emanating from the same point source S strike the curved front side of the coupling element. The refractive index is constant within the plane shown in FIG. 2b. In this plane, ie in the lateral direction, focusing occurs solely on the basis of the curved front and rear boundary surfaces of the coupling element. The curvatures of the interfaces depend on how the light beam is to be shaped in the lateral direction. If the desired beam shaping is specified, the curvatures can be determined using the methods of beam optics.

Es sei darauf hingewiesen, daß jede der zum Substrat parallelen Ebenen einen anderen Brechungsindex hat. Dadurch unterscheidet sich auch die Brechung an den gekrümmten Flächen, je nachdem, welche Ebene man betrachtet. Der in Fig. 2b skizzierte Strahlengang ist also in einer Nachbarebene geringfügig anders, so daß ein Abbildungsfehler entsteht. Dieser Abbildungsfehler ist jedoch klein und kann daher in Kauf genommen werden. Der Grund, warum der Abbildungsfehler klein ist, ergibt sich aus folgender Überlegung: Der Brechungsindex muß sich in vertikaler Richtung nur wenig ändern, damit eine Fokussionswirkung erreicht wird. Es genügt, wenn sich der größte und der kleinste Brechungsindex nur um einige Prozent unterscheiden. Der Brechungsindex-Sprung an den Begrenzungsflächen, d. h. zwischen Koppelelement und der umgebenden Luft, beträgt hingegen etwa 50%. Folglich wird die Fokussionswirkung im wesentlichen von diesem Brechungsindex-Sprung bestimmt und nicht von den geringen Differenzen zwischen den einzelnen Ebenen.It should be noted that each of the planes parallel to the substrate has a different refractive index. This means that the refraction on the curved surfaces differs depending on which plane you are looking at. The beam path sketched in FIG. 2b is therefore slightly different in a neighboring plane, so that an imaging error occurs. However, this aberration is small and can therefore be accepted. The reason why the aberration is small arises from the following consideration: the refractive index only has to change slightly in the vertical direction in order to achieve a focusing effect. It is sufficient if the largest and the smallest refractive index differ by only a few percent. The refractive index jump at the boundary surfaces, ie between the coupling element and the surrounding air, is about 50%. As a result, the focus effect is essentially determined by this refractive index jump and not by the small differences between the individual levels.

Durch die erfindungsgemäße Kombination von Brechungsindexgradienten in vertikaler Richtung und Grenzflächenkrümmung für die laterale Strahlformung ist es somit möglich, mit dem in Fig. 1 dargestellten Koppelelement CE1 den vom Halbleiterlaser SCL1 emittierten, stark divergenten Lichtstrahl zu bündeln und mit hohem Wirkungsgrad in den optischen Wellenleiter WG1 einzukoppeln. Eine zusätzliche Verbesserung des Koppelwirkungsgrads läßt sich erzielen, wenn Verluste aufgrund von Fresnel-Reflexionen an den Grenzflächen durch Aufbringen von Anti-Reflexionsschichten auf die Grenzflächen verringert werden. The inventive combination of refractive index gradients in the vertical direction and interface curvature for the lateral beam shaping makes it possible to use the coupling element CE1 shown in FIG. 1 to bundle the highly divergent light beam emitted by the semiconductor laser SCL1 and to couple it into the optical waveguide WG1 with high efficiency . An additional improvement in the coupling efficiency can be achieved if losses due to Fresnel reflections at the interfaces are reduced by applying anti-reflection layers on the interfaces.

Einer der besonderen Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ist die einfache Herstellungsweise des Koppelelements. Das Koppelelement kann vollständig auf dem Substrat abgeschieden werden, wodurch aktive Justierungs-Schritte überflüssig werden. Außerdem lassen sich höchste Koppelwirkungsgrade erzielen, ohne eine komplizierte Einstellung eines lateralen Brechungsindexgradienten wie nach dem Stand der Technik vornehmen zu müssen. Eine Möglichkeit, ein erfindungsgemäßes Koppelelement herzugestellen, wird im folgenden beschrieben. Auf einem Silizium-Substrat wird mittels Flamm-Hydrolyse eine dicke SiO₂-Schicht abgeschieden. Durch kontrollierte Zugabe von TiCl₄ oder GeCl₄ in die Flamme kann der Brechungsindex der Schicht kontinuierlich verändert werden. Dieses Verfahren ist somit geeignet, beliebige Brechungsindexgradienten zu erzeugen. Einzelheiten zur Flammhydrolyse finden sich in einem Aufsatz von M. Kawachi et al. mit dem Titel "Fabrication of SiO₂-TiO₂ Glass Planar Optical Waveguides by Flame Hydrolyses Deposition", Electronic Letters, Vol. 19, No. 15 (1983), Seiten 583-584.One of the particular advantages of the invention over the prior art Technology is the simple way of manufacturing the coupling element. The Coupling element can be completely deposited on the substrate become active, making active adjustment steps superfluous. In addition, the highest coupling efficiency can be achieved without a complicated adjustment of a lateral one Make refractive index gradients as in the prior art to have to. One possibility, a coupling element according to the invention To produce is described below. On one Silicon substrate becomes thick using flame hydrolysis SiO₂ layer deposited. By controlled addition of TiCl₄ or GeCl₄ in the flame can be the refractive index of the layer be continuously changed. This procedure is therefore suitable to generate arbitrary refractive index gradients. Details of flame hydrolysis can be found in an article by M. Kawachi et al. with the title "Fabrication of SiO₂-TiO₂ Glass Planar Optical Waveguides by Flame Hydrolyses Deposition ", Electronic Letters, Vol. 19, No. 15 (1983), pages 583-584.

Nach Aufbringen der SiO₂-Schicht wird durch Tiefätzen die gewünschte Form der äußeren Begrenzungsflächen erzeugt. Ein derartiger Tiefätzprozess wird z. B. beschrieben von J. J. G. Allen et al. in "Silica-based integrated optic components for telecommunications applications", Optical Engineering, Vol. 32, No. 5 (1993), Seiten 1011-1014: Mittels einer Photolack-Schicht wird photolithographisch derjenige Bereich der Schicht markiert, der nicht weggeätzt werden soll. Diese Markierung definiert die seitlichen Begrenzungflächen des Koppelelements. Anschließend wird in geeigneten Ätzschritten der Bereich um die Photolack-Schicht bis zum Substrat hinunter weggeätzt. Sollen neben dem Koppelelement noch weitere Strukturen wie z. B. vergrabene Wellenleiter auf dem Substrat abgeschieden werden, so sind zusätzliche, dem Fachmann geläufige Prozeßschritte erforderlich. After applying the SiO₂ layer, the is by deep etching desired shape of the outer boundary surfaces generated. On such deep etching process is e.g. B. described by J.J.G. Allen et al. in "Silica-based integrated optic components for telecommunications applications ", Optical Engineering, Vol. 32, No. 5 (1993), pages 1011-1014: Using a photoresist layer marked that area of the layer by photolithography that should not be etched away. This marker defines the lateral boundary surfaces of the coupling element. Then will the area around the photoresist layer to in suitable etching steps etched down to the substrate. Should be next to the coupling element other structures such as B. buried waveguide on the Substrate are deposited, so are additional, the expert common process steps required.

Alternativ zu dem oben geschilderten Abscheiden des Koppelelements unmittelbar auf dem als mikrooptische Bank dienenden Substrat kann das erfindungsgemäße Koppelelement auch zunächst auf einem anderen Träger hergestellt werden. Für die Fertigung größerer Stückzahlen werden zunächst auf diesem Träger eine größere Anzahl von Koppelelementen abgeschieden. Anschließend werden die Koppelelemente etwa durch Sägen von diesem Träger getrennt. Die einzelnen Koppelelemente werden dann hybrid mit Hilfe geeigneter passiver Justierhilfen, evtl. zusammen mit anderen hybrid zu befestigenden Bauelementen, auf einem als mikrooptische Bank dienenden Substrat positioniert.As an alternative to the deposition of the coupling element described above directly on the substrate serving as a micro-optical bench the coupling element according to the invention also initially on another Carrier are manufactured. For the production of larger quantities are initially on this carrier a larger number of Coupling elements separated. Then the Coupling elements separated by sawing from this carrier. The individual coupling elements are then hybrid with the help of suitable ones passive adjustment aids, possibly together with other hybrid fastening components, on a as a micro-optical bench serving substrate positioned.

Die nachfolgenden Abschnitte beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Fig. 3 zeigt einen Halbleiterlaser SCL3 und ein erfindungsgemäßes Koppelelement CE3, welches das vom Halbleiterlaser SCL3 emittierte Licht in eine Glasfaser Fib3 eingekoppelt. Die Glasfaser Fib3 ist in einer V-förmigen Nut G3 geführt. Bei der Verwendung eines Silizium-Substrats kann eine derartige Nut z. B. durch anisotropes naßchemisches Ätzen erzeugt werden. In der Nut G3 wird die Glasfaser Fib3 passiv justiert und eingeklebt. Durch Sägen kann zusätzlich ein Graben SAW3 erzeugt werden, falls die Glasfaser Fib3 dicht an das Koppelelement CE3 herangeführt werden soll. Das Koppelelement CE3 hat hier zylindrische Form.The following sections describe further advantageous embodiments of the invention. Fig. 3 shows a semiconductor laser SCL3 and an inventive coupling element CE3, which coupled the light emitted from the semiconductor laser SCL3 light in a glass fiber FIB3. The glass fiber Fib3 is guided in a V-shaped groove G3. When using a silicon substrate, such a groove z. B. generated by anisotropic wet chemical etching. The fiber optic Fib3 is passively adjusted and glued into the groove G3. A trench SAW3 can also be created by sawing if the glass fiber Fib3 is to be brought close to the coupling element CE3. The coupling element CE3 has a cylindrical shape here.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung zeigt Fig. 4. Eine Anordnung paralleler optischer Wellenleiter WGA ist über ein erfindungsgemäßes Koppelelement CEA an ein Laserarray SCLA angekoppelt. Man kann sich das Koppelelement CEA als aus mehreren gleichen Teilelementen zusammengesetzt vorstellen. Jedes der Teilelemente hat die gleiche Form wie das Koppelelement CE1 in Fig. 1. Im Gegensatz zu Kugellinsen können diese Teilelemente sehr dicht nebeneinander angeordnet werden. Der Grund dafür geht aus Fig. 5a und 5b hervor. Abgebildet ist dort der Strahlengang in einer Kugellinse BL5 bzw. in einem erfindungsgemäßen Teilelement CE5 in einer zum Substrat parallelen Ebene. Bei der Kugellinse gelangt kein Licht in die äußeren Randbereiche, die in Fig. 5a durch Punkte gekennzeichnet sind. Diese Randbereiche stellen damit ein ungenutztes, d. h. nicht der Fokussierung dienendes, Volumen dar. Die erfindungsgemäßen Teilelemente hingegen lassen sich so gestalten, daß ein solches ungenutztes Volumen nicht entsteht. Dadurch wird eine wesentlich bessere Raumausnutzung erzielt, was vor allem bei hochintegrierten mikrooptischen Bauelementen von Vorteil ist. FIG. 4 shows a particularly advantageous embodiment of the invention . An arrangement of parallel optical waveguides WGA is coupled to a laser array SCLA via a coupling element CEA according to the invention. The coupling element CEA can be thought of as being composed of several identical sub-elements. Each of the sub-elements has the same shape as the coupling element CE1 in Fig. 1. In contrast to ball lenses, these sub-elements can be arranged very close to each other. The reason for this is shown in Figs. 5a and 5b. The beam path is shown there in a ball lens BL5 or in a partial element CE5 according to the invention in a plane parallel to the substrate. With the spherical lens, no light reaches the outer edge areas, which are indicated by dots in FIG. 5a. These marginal areas thus represent an unused, that is to say not serving for focusing. The partial elements according to the invention, however, can be designed in such a way that such an unused volume does not arise. This results in a significantly better use of space, which is particularly advantageous for highly integrated micro-optical components.

Aus den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen geht hervor, wie vielfältig das erfindungsgemäße Koppelelement einsetzbar ist. Dies hängt u. a. damit zusammen, daß durch die freie Wahl bei der Gestaltung der seitlichen Begrenzungsflächen eine beinahe beliebige Strahlformung in lateraler Richtung möglich ist. In Fig. 6a bis 6c sind weitere Möglichkeiten skizziert, wie die Begrenzungsflächen gestaltet werden können. Dargestellt ist jeweils ein zur Substratebene paralleler Schnitt durch die Koppelelemente. Ein Koppelelement nach Fig. 6c ist z. B. geeignet, das von einer Quelle S6 emittierte Licht zu kollimieren. Eine derartiges kollimierendes Koppelelement ist besonders vorteilhaft einsetzbar bei der Freiraumausbreitung von Lichtsstrahlen. In diesem Fall wird der von einer lichtleitenden Struktur emittierte Lichtstrahl nicht unmittelbar in eine andere lichtleitende Struktur eingekoppelt, sondern breitet sich zunächst in der Luft aus, ohne sich dabei wesentlich aufzuweiten. Dieser Freiraum-Strahl kann dann z. B. über Mikro-Spiegel aufgeteilt und mehreren lichtleitenden Strukturen oder Photodioden zugeleitet werden.The exemplary embodiments described above show how versatile the coupling element according to the invention can be used. This is due, among other things, to the fact that the free choice in the design of the lateral boundary surfaces enables almost any beam shaping in the lateral direction. In Fig. 6a through 6c further options outlined how the boundary surfaces can be designed. A section through the coupling elements parallel to the substrate plane is shown in each case. A coupling element according to FIG. 6c is e.g. B. suitable to collimate the light emitted by a source S6. Such a collimating coupling element can be used particularly advantageously in the free-space propagation of light rays. In this case, the light beam emitted by a light-guiding structure is not coupled directly into another light-guiding structure, but first spreads out in the air without widening significantly in the process. This free space beam can then, for. B. divided over micro mirrors and fed to several light-guiding structures or photodiodes.

Claims

1. Device for coupling at least two light-guiding structures (SCL1 and WG1 in Fig. 1), consisting of an imaging element (CE1), which is located on a substrate and whose refractive index is in a vertical direction, ie in the direction perpendicular to the substrate plane changed that a light beam passing through the imaging element is focused in this vertical direction, characterized in that the boundary surfaces of the imaging element perpendicular to the substrate plane are shaped such that a light beam passing through the imaging element is also in the lateral direction, i.e. parallel to the substrate plane and perpendicular to Direction of propagation of the light beam is focused.

2. Device according to claim 1, characterized in that at least one of the light-guiding structures on the substrate is deposited.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that recesses (G3 in Fig. 3) or guides are etched out on the substrate, which fix the position of the light-conducting structures on the substrate.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that at least one of the light-guiding structures is a semiconductor laser.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least one of the light-guiding structures is an integrated optical strip waveguide.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical imaging element (CEA in Fig. 5) couples a laser array (SCLA) with a corresponding number of this laser array opposite optical waveguide (WGA).

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical imaging element (CE3 in Fig. 3) has a cylindrical shape.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical imaging element (CE1 in Fig. 1) has a convex and a concave curved lateral boundary surface.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the optical imaging element made of oxides, Nitrides or oxynitrides from silicon, germanium, titanium or Aluminum.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the optical imaging element on the substrate is deposited.