EP3997495A1 - Optische vorrichtung - Google Patents

Optische vorrichtung

Info

Publication number
EP3997495A1
EP3997495A1 EP20733207.3A EP20733207A EP3997495A1 EP 3997495 A1 EP3997495 A1 EP 3997495A1 EP 20733207 A EP20733207 A EP 20733207A EP 3997495 A1 EP3997495 A1 EP 3997495A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical device
waveguide
segment
taper structure
coupling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20733207.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfram Pernice
Carsten Schuck
Fabian BEUTEL
Nicolai Walter
Helge GEHRING
Wladick HARTMANN
Martin Wolff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pixel Photonics GmbH
Original Assignee
Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster filed Critical Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Publication of EP3997495A1 publication Critical patent/EP3997495A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/351—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements
    • G02B6/3512—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4214—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical element having redirecting reflective means, e.g. mirrors, prisms for deflecting the radiation from horizontal to down- or upward direction toward a device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/3564—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details
    • G02B6/3566—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details involving bending a beam, e.g. with cantilever

Definitions

  • the invention relates to an optical device for the bidirectional coupling of a Wel lenleiters to an external medium.
  • Waveguides correspond to electrical connections on integrated optical circuits and are therefore essential building blocks for functional photonics. In particular, they allow complex systems to be miniaturized and are therefore a key technology.
  • Mode converters are necessary to circumvent this. Since optical signals are guided in the plane in waveguides, it is desirable to change the direction of the beam, otherwise only the edges of the chip can be used for coupling. With planar geometry, this deflection can only take place via diffractive elements or interference phenomena, which severely limits the optical bandwidth.
  • Coupling via the top of the chip is the preferred method. This allows many components to be addressed, which is of central importance for a high degree of integration receive. To this end, two methods are known from the prior art, on the one hand coupling via grid elements and on the other hand coupling via fiber tapers in the evanescent field.
  • Grating couplers use diffractive elements to enable coupling from the plane. These couplers typically achieve efficiencies of 30%. Higher efficiencies are possible with improved designs and more complex manufacturing.
  • the primary disadvantage of grating couplers is the narrow bandwidth in the range of a few 10 nm. This means that only special wavelength ranges can be covered.
  • grating couplers are very sensitive to lateral shifts and must therefore be aligned with respect to fibers or lenses. Automatic coupling to chips is therefore difficult.
  • Fiber tapers use glass fibers with a reduced diameter. These tapers are placed on top of the waveguides and couple to them in the optical near field. Therefore, with this method, the width of the waveguide is decisive for the placement tolerance. This is therefore less than a micrometer and is therefore extremely demanding.
  • the coupling bandwidth is high in this case, since the coupling is adiabatic. However, the demanding placement cannot be used to couple to many waveguides, since each individual fiber has to be placed separately. Furthermore, no fiber arrays can be used, so that a parallel coupling is not possible.
  • the mechanical stability of the coupling is limited. In both cases, no tunability is possible. I.e. after mechanical placement, the coupling to the fiber optics cannot be further improved. However, the coupling efficiency suffers significantly when it comes to exact placement requirements.
  • An optical device for handling a radiation beam comprising a semiconductor wafer, comprising an integrated optical semiconductor waveguide core, integrated on the semiconductor wafer, and an at least partially superimposed waveguide, comprising at least a first bevel shaped to couple the radiation beam between the integrated one optical semiconductor waveguide core and an external medium, wherein the first bevel has an entry / exit side surface for receiving / emitting a radiation beam from / to the external medium, the side surface of the first bevel from the edge of the semiconductor die by a Distance d is spaced apart, the distance d being at least 1 pm and less than 200 pm.
  • the 3D coupler begins on a chip with an adiabatic transition from a single-mode silicon nitride waveguide to a polymer waveguide.
  • the width of the silicon nitride waveguide in a tapered region is linearly reduced while at the same time the height of the surrounding polymer waveguide covering the taper is increased.
  • the width of the polymer waveguide is kept constant in order to enable an adi abatic transition between the fundamental TE modes of the two waveguides.
  • the present invention is primarily intended to provide an optical device, the coupling bandwidth of the optical device being very broad and a wide spectrum of wavelengths being able to be coupled into an external medium via the optical device. Furthermore, the invention is based on the object of coupling many glass fibers to a waveguide with low loss and with achievable placement tolerances.
  • the present invention provides an optical device for bidirectional coupling of a waveguide to an external medium.
  • the optical device comprises at least one taper structure, the taper structure comprising a beam input segment, the beam input segment being set up in such a way to couple a light beam from the waveguide into the taper structure, the taper structure comprises a beam exit segment, the beam exit segment being set up to focus the light beam and couple it into the external medium, the taper structure between the beam entrance segment and the beam exit segment at least one comprises first reflective surface, wherein the first reflective surface is set up to deflect the light beam out of the plane of the waveguide.
  • the coupling of the waveguide to the external medium can, in particular, be bidirectional. Since the beam path of a light beam is reversible, bidirectional in connection with this invention means that a light beam can not only be coupled into the external medium by means of the optical device from the waveguide, but that the light beam can also be coupled into the external medium by means of the optical device from the external medium the waveguide can be coupled.
  • the beam output segment of the optical device described above is set up to couple the light beam from the external medium into the taper structure, the light beam being defocused, the taper structure still having at least one first reflector between the beam output segment and the beam input segment xion surface comprises, wherein the first reflection surface is set up to deflect the light beam coming from the beam output segment into the plane of the waveguide.
  • the beam input segment of the optical device described above is set up in such a way as to couple the light beam from the taper structure into the waveguide.
  • the basic idea of the present invention is to provide an optical device which enables the mode matching of planar waveguides to an external medium, for example to an optical fiber or microscope objectives. Since the path of the light beam can be reversed, the external medium can also be adapted to a planar waveguide.
  • the adaptation takes place via a three-dimensional taper structure, which is generated, for example, by means of direct laser writing (DLW).
  • the optical device changes the beam direction of the beams running in the plane into the vertical dimension or else the other way around. For this purpose, a reflection of the light beam on a reflection surface is used in particular.
  • the optical device does not use any wavelength-selective (in particular diffractive) elements. Therefore, the coupling bandwidth is very wide and a wide spectrum of wavelengths can be coupled into the waveguide via the coupler.
  • the bandwidth is only limited by the transparency window of the coupler and the waveguide. This means that the bandwidth is orders of magnitude better than with conventional grating couplers or other diffractive elements.
  • the optical device is not limited by interference phenomena and therefore offers an enormous bandwidth.
  • the optical device is platform and polarization independent and can be used for coupling, for example, to any waveguide, which brings enormous flexibility with it.
  • the first reflection surface is a total reflection surface.
  • Total reflection has the advantage that it permits loss-free radiation deflection.
  • the height of the taper structure in the area of the beam entrance segment is continuously tapered, while the width is kept constant, whereby a waveguide area is formed.
  • the beam entrance segment is followed by a substantially conical or pyramidal area, the width and the height of the conical or pyramidal area increasing linearly.
  • the conical or pyramidal area is followed by the beam exit segment, the beam exit segment comprising a substantially curved area, the essentially curved area including the at least first reflection surface.
  • the taper structure comprises at least one further reflection surface.
  • the beam output segment comprises a collimating lens.
  • the beam collimation relaxes the alignment tolerances of the external medium with respect to the optical device. This enables fiber coupling with industrial methods without fine adjustment of individual optical devices.
  • the external medium is an optical fiber or a microscope objective.
  • the waveguide is a planar waveguide.
  • the waveguide is arranged on a substrate.
  • the waveguide is designed as a free-standing waveguide arm. Due to the free-standing waveguide arm, the output angle of the optical device can be adjusted simultaneously by adjusting the angle of inclination of the waveguide arm.
  • the taper structure is formed from a polymer.
  • the optical device is produced by means of 3D printing, in particular by means of direct laser writing.
  • the waveguide is part of a waveguide array.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an optical device for bidirectional
  • Fig. 2 is a schematic representation of an optical device for bidirectional
  • Fig. 3 is a schematic plan view of a waveguide array with a plurality of
  • Fig. 4 is a schematic representation of an optical device for bidirectional
  • FIG. 1 is a schematic representation of an optical device 1 for the bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a first embodiment of the invention.
  • the optical device 1 essentially consists of a taper structure 2, the taper structure 2 being roughly divided into two parts: a beam input segment 3, the beam input segment 3 for coupling a light beam 5 from the waveguide 7 into the taper Structure 2 is used and a beam exit segment 4, the beam exit segment 4 serving to focus and couple the light beam 5 into the external medium 6.
  • the coupling of the light beam 5 can in particular take place bidirectionally.
  • the light beam 5 can thus also be coupled into the waveguide 7 from the external medium 6 by means of the optical device 1.
  • the light beam 5 is coupled from the external medium 6 into the beam output segment 4 and defocused.
  • the light beam 5 is then deflected by means of the first reflective surface 8 into the plane of the waveguide 7 towards the beam input segment 3 and is coupled into the waveguide 7.
  • the external medium 6 can be, for example, an optical fiber or a microscope objective.
  • the beam entrance segment 3 comprises a conical or pyramidal region 10.
  • the beam exit segment 4 here comprises an essentially curved region 11, the curved region 11 comprising a first reflective surface 8. As shown in cross section in FIG.
  • a planar waveguide 7 is coupled to the taper structure 2.
  • Light propagating in waveguide 7 is initially expanded in beam size by taper structure 2.
  • the Gaussian beam generated then falls on the reflection surface 8, where total reflection takes place. This changes the beam direction and deflects it upwards.
  • the beam exit segment 4 comprises an essentially curved area 11, wherein the curved area can have a lens shape, for example.
  • the taper structure 2 acts on the one hand as a mode transformer, which adapts the very small mode of a waveguide 7 to the wide beam shape of optical glass fibers or microscopes 6.
  • the optical device 1 allows a beam deflection to be achieved out of the plane, so that waveguides 7 are accessible from the chip surface 16.
  • An adiabatic transition of the waveguide mode into a Gaussian beam propagating freely in the optical device takes place by means of the taper structure 2. This widens the beam input segment 3, which is adapted to the diameter of the waveguide 7, in order to prevent losses at the edges.
  • the beam is deflected via reflection surfaces 8. Due to the refractive index contrast between the medium of the taper structure and the surrounding medium, total reflection occurs, which takes place without losses. The refractive index contrast determines the maximum angle of inclination that can be achieved. If higher angles are to be achieved, multiple reflections can be used, which are also loss-free.
  • the beam 5 is collimated and adapted to the subsequent one to the external medium or the mode guide element, which can be a glass fiber or a microscope objective.
  • the waveguide can be made of silicon nitride, for example.
  • the radiation input segment 4 can for example consist of a polymer and comprise a polymer waveguide.
  • a natural mode source is set for the coupling of the light beam from the waveguide 7 in order to imitate the light output of a silicon nitride to polymer waveguide mode converter, which is located immediately in front of the beam input segment 3.
  • the initially 0.5 pm wide silicon nitride waveguide 7 is linearly tapered downwards, while the height of the polymer waveguide 4 is continuously tapered to finally 1 pm, while the width is kept constant at 1 pm.
  • This cross section of the polymer waveguide 3 is selected because only the basic modes are supported due to the partitioning by the substrate 12 made of silicon oxide below.
  • the conical or pyramid-shaped area 10 of the taper structure 2 After this interface to the polymer structure, the conical or pyramid-shaped area 10 of the taper structure 2. This is where the width and height of the polymer waveguide begins 3 is enlarged linearly until the conical or pyramidal area 10 meets the essentially curved area 11. In this area the diameter of the jet increases continuously and retains its Gaussian shape. Since this extension is initially adiabatic, this scheme enables a separate optimization of the silicon nitride polymer waveguide mode converter, which is mainly to be tuned to the wavelength, and the final taper structure 2, in which the mode field diameter of the fiber with which the light is coupled is the central parameter is.
  • the beam When the beam enters the curved area 11 after the taper, the beam spreads like a free space. Due to the relatively large beam diameter compared to the distance to the lens of the curved area 11, the beam has no great divergence and spreads directly to the reflective surface 8, since this distance is small compared to the Rayleigh length of the beam at the end of the cone is.
  • the angle of the reflection surface 8 can be selected to be 39 ° with respect to the chip plane 16, for example, in order to correspond to the 12 ° angle at which the 8 ° polished fiber array emits and collects the light. After the Re flexion surface 8, the light beam 5 spreads in the direction of the curved area 11. The curved area 11 is used to focus the diverging beam and couple it into the external medium 6.
  • the taper structure 2 of the optical device 1 can be produced, for example, with a direct laser writing system (Nanoscribe Professional GT), a 63-fold objective and IP dip as a resist.
  • the coupling efficiency is independent of the polarization of the incident light. This means that, in contrast to conventional grating couplers, the optical device can couple light of both conventional polarizations (TE and TM) with the same efficiency, as long as the subsequent waveguide also supports this.
  • the optical device 1 can be coupled to any fiber arrangement via the free choice of the angle of incidence. Coupling can thus be carried out directly at 90 °, which is advantageous for the mechanical connection of fibers 6 and chip 16.
  • An optimal coupling angle can also be selected for polished fiber facets that are often used and ground at angles to avoid back reflections. It can also be coupled in at shallow angles if the fiber is to be guided close to the chip surface.
  • the shape of the taper structure 2 of the optical device 1 enables the use of total reflection for beam deflection in an integrated component. This allows coupling to waveguides directly from any angle (and especially vertically), which is a significant advantage over other coupling methods (such as side coupling). Other vertical coupling methods (grating couplers) are limited to the diffraction angle of the planar structures and can therefore only be addressed with difficulty below 90 °.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an optical device 1 for bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • a lower refractive index contrast occurs, for example when the couplers are immersed in a medium 15 such as water, multiple reflections can be used to deflect the beam.
  • Any output angle can be detected at the diffraction angle of the reflection surface 8, 9. This makes it possible, in particular, to couple the chip 16 at an incidence of 90 °.
  • Fig. 3 shows a schematic plan view of a waveguide array 13 with a plurality of waveguides 7 and optical devices 1 according to an embodiment of the inven tion.
  • a large number of optical devices 1 can be attached to waveguide arrays 13 via marker search and alignment, and a large number of components can thus be optically addressed.
  • the optical device 1 is scalable and can be manufactured using scalable manufacturing methods and is therefore suitable for mass production. This enables direct coupling to fiber arrays 13 in which many optical fibers are bundled.
  • the optical device 1 enables parallel and low-loss reading of many waveguide channels 7.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an optical device 1 for bidirectional coupling of a waveguide 7 to an external medium 6 according to a third embodiment of the invention.
  • the optical device 1 can be attached to any waveguide 7. Due to the adiabatic expansion of the beam shape, coupling can be carried out with virtually no loss.
  • the optical device can also be easily combined with other chip elements.
  • the coupler can be made tunable in terms of the emission angle.
  • FIG. 4 shows the use of a moveable structure, whereby the beam angle can be adjusted without losing the coupling efficiency.
  • the taper structure 2 is attached to a free-standing waveguide 14. This free-standing waveguide arm 14 can be moved mechanically, for example with the aid of electrodes.
  • the output angle of the optical device 1 can then be adjusted simultaneously. This enables the use for beam steering and lidar applications. This also enables use in phase arrays and collective emitters.
  • the work that led to this invention was funded by the European Union (H2020-EEi.1.1.) Under grant agreement No. 724707 (PINQS).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Bei einer optischen Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters (7) an ein externes Medium (6) soll die Kopplungsbandbreite der optischen Vorrichtung verbreitert werden, damit ein weites Spektrum an Wellenlängen über die optische Vorrichtung in ein externes Medium eingekoppelt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die optische Vorrichtung zumindest eine Taper-Struktur (2) umfasst, wobei die Taper- Struktur (2) ein Strahleneingangssegment (3) umfasst, wobei das Strahleneingangssegment (3) derart eingerichtet ist, einen Lichtstrahl (5) aus dem Wellenleiter (7) in die Taper-Struktur (2) einzukoppeln, die Taper- Struktur ein Strahlenausgangssegment (4) umfasst, wobei das Strahlenausgangssegment (4) derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl (5) zu fokussieren und in das externe Medium (6) einzukoppeln, die Taper-Struktur (2) zwischen dem Strahleneingangssegment (3) und dem Strahlenausgangssegment (4) zumindest eine erste Reflexionsfläche (8) umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche (8) derart eingerichtet den Lichtstrahl (5) aus der Ebene des Wellenleiters (7) heraus abzulenken.

Description

Optische Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wel lenleiters an ein externes Medium.
Im Bereich der Telekommunikation ist die bidirektionale Ankopplung an Wellenleiter aus op tischen Glasfasern eine zentrale Herausforderung. Wellenleiter entsprechen elektrischen Ver bindungen auf integrierten optischen Schaltkreisen und sind damit essentielle Bausteine für die funktionale Photonik. Sie erlauben es insbesondere komplexe Systeme zu miniaturisieren und sind somit eine Schlüsseltechnologie. Da die geführten Moden in Wellenleitern und Glasfasern jedoch sehr unterschiedliche Größen aufweisen ist eine direkte Kopplung mit hohen Verlusten behaftet. Um diese zu umgehen sind Modenkonverter notwendig. Da in Wellenleitern optische Signale in der Ebene geführt werden ist es wünschenswert die Strahlrichtung zu ändern, da sonst nur die Ränder des Chips zur Kopplung verwendet werden können. Diese Umlenkung kann mit planarer Geometrie nur über diffraktive Elemente oder Interferenzphänomene erfol gen wodurch die optische Bandbreite stark limitiert ist. Eine hohe Bandbreite ist jedoch not wendig um hohe Datenraten zu erhalten und Kompatibilität mit heutigen Datenformaten zu erhalten. Zudem ist die Ausrichtung der Glasfasern gegenüber dem Chip sehr empfindlich auf minimalem Versatz und erfordert daher eine hohe Platziergenauigkeit welche mit hohen Kosten verbunden ist. Laufende Kontaktierverfahren sind somit verlustbehaftet und nicht für eine Mas senproduktion geeignet. Für alle optischen Systeme mit Anwendungsfeldern in der Telekom munikation ist jedoch eine permanente Faserkopplung notwendig für ein effizientes Packaging. Daher besteht momentan keine Möglichkeit effizient mit hoher Bandbreite und entspannten Toleranzen an Wellenleiter zu koppeln, insbesondere nicht an eine große Anzahl an Wellenlei ter. Weiterhin können existierende Ankopplungsstellen nicht durchgestimmt werden. Da Ferti gungstoleranzen bestehen ist eine Anpassung nach der Fertigung notwendig um eine optimale Kopplung zu erreichen.
Die Kopplung über die Chipoberseite ist die bevorzugte Methode. Diese erlaubt es viele Bau elemente anzusprechen was von zentraler Bedeutung ist um einen hohen Integrationsgrad zu erhalten. Aus dem Stand der Technik sind dazu zwei Verfahren bekannt, zum einen die Kopp lung über Gitterelemente und zum anderen die Kopplung über Fasertaper im evaneszenten Feld.
Gitterkoppler nutzen diffraktive Elemente um eine Kopplung aus der Ebene zu ermöglichen. Diese Koppler erreichen Effizienzen von typischerweise 30%. Höhere Effizienzen sind möglich mit verbesserten Designs und aufwendigerer Fertigung. Der primäre Nachteil von Gitterkopp lern ist die geringe Bandbreite im Bereich von einigen 10 nm. Damit können nur spezielle Wel lenlängenbereiche abgedeckt werden. Außerdem sind Gitterkoppler sehr empfindlich für late rale Verschiebungen und müssen daher aufwendig gegenüber Fasern oder Linsen ausgerichtet werden. Damit ist eine automatische Ankopplung an Chips nur schwer möglich.
Fasertaper verwenden Glasfasern mit reduziertem Durchmesser. Diese Taper werden von oben auf die Wellenleiter gelegt und koppeln an diese im optischen Nahfeld. Daher ist bei dieser Methode die Breite des Wellenleiters ausschlaggebend für die Platzierungstoleranz. Diese liegt somit unter einem Mikrometer und ist daher extrem anspruchsvoll. Die Kopplungsbandbreite ist in diesem Fall hoch, da adiabatisch gekoppelt wird. Über die anspruchsvolle Platzierung kann jedoch nicht an viele Wellenleiter gekoppelt werden, da jede einzelne Faser separat plat ziert werden muss. Weiterhin können keine Faserarrays verwendet werden, so dass eine paral lele Ankopplung nicht möglich ist. Zudem ist die mechanische Stabilität der Kopplung be grenzt. In beiden Fällen ist keine Durchstimmbarkeit möglich. D.h. nach der mechanischen Platzierung kann die Ankopplung an die Glasfasern nicht weiter verbessert werden. Gerade bei genauen Platzierungsanf orderungen leidet jedoch die Kopplungseffizienz signifikant darunter.
Aus der EP 2 442 165 Bl ist eine optische Vorrichtung zum Handhaben eines Strahlungs- Strahls bekannt, wobei die optische Vorrichtung ein Halbleiterplättchen umfasst, umfassend einen integrierten optischen Halbleiter-Wellenleiterkem, integriert auf dem Halbleiterplätt chen, und einen mindestens teilweise überlagernden Wellenleiter, umfassend mindestens eine erste Abschrägung, geformt zum Koppeln des Strahlungs-Strahls zwischen dem integrierten optischen Halbleiter-Wellenleiterkern und einem externen Medium, wobei die erste Abschrä gung eine Eintritts-/ Austritts-Seitenfläche zum Empfangen/ Abgeben eines Strahlungs-Strahls von/zu dem externen Medium aufweist, wobei die Seitenfläche der ersten Abschrägung von der Kante des Halbleiterplättchens um eine Distanz d beabstandet ist, wobei die Distanz d mindes tens 1 pm und weniger als 200 pm beträgt.
Aus dem Dokument„Low-loss fiber-to-chip couplers with ultrawide optical bandwidth“ er schienen in APL Photon. 4, 010801 (2019); doi: 10.1063/1.5064401 ist ein hybrider Ansatz eines 3D-Kopplers mittels 3D-Direktlaserschreiben bekannt, der die Vorteile einer schmalban- digen Out-of-Plane-Kopplung mit einer großen Anzahl von Geräten und einer breitbandigen Kantenkopplung mit einer begrenzten Anzahl von Geräten zusammenführt. Dadurch soll eine breitbandige und verlustarme Kopplung an Wellenleiterbauelementen ermöglicht werden. Der 3D-Koppler ermöglicht dabei eine spannungsfreie mechanische Ausrichtung in Bezug auf eine optische Faser. Der 3D-Koppler wird dabei verwendet, um die Richtung des einfallenden Lichts in die planare Richtung zu drehen und den Modenfelddurchmesser einer optischen Faser auf die Größe eines nanophotoni sehen Wellenleiters umzuwandeln. Der 3D-Koppler beginnt auf einem Chip mit einem adiabatischen Übergang von einem Monomode-Siliziumnitrid-Wellen- leiter zu einem Polymer-Wellenleiter. Elm die optische Mode zu erweitern, wird die Breite des Siliziumnitrid-Wellenleiters in einem sich verjüngenden Bereich linear verringert, während gleichzeitig die Höhe des umgebenden Polymer-Wellenleiters, der die Verjüngung überdeckt, erhöht wird. Die Breite des Polymer-Wellenleiters wird dabei konstant gehalten, um einen adi abatischen Übergang zwischen den fundamentalen TE-Moden der beiden Wellenleiter zu er möglichen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kopplungsverfahren verlangen eine aufwendige Ausrichtung der Glasfasern gegenüber den Kopplungselementen. Dies ist aufwendig und daher kostspielig. Da jedes Bauelement separat gegenüber den Glasfasern ausgerichtet werden muss ist eine automatische Platzierung schwierig und langsam und daher teuer. Weiterhin führen die geringen Platzierungstoleranzen dazu, dass die Bauteile über die Zeit degradieren, wenn es me chanischen Verzug oder Versatz gegenüber dem optischen Chip gibt. Daher ist eine Platzie- rungstechnik notwendig, die höhere Toleranzen bietet und gleichzeitig für viele Bauteile paral lel verwendet werden kann. Dies erfordert im Wesentlichen eine Ankopplung von der Chipo berseite über Faserarrays.
Ein weiterer zentraler Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kopplungsver fahren ist die geringe Kopplungseffizienz von Gitterkopplem. Gerade für Anwendungen in wel chen mehrere Verbindungen an Chips notwendig sind können Verluste nicht akzeptiert werden. Daher ist eine hohe Kopplungseffizienz essentiell. Eine hohe Bandbreite ist besonders für An wendungen in der Spektroskopie und für die Datenübertragung notwendig. Hierbei ist häufig die Ankopplung an viele Wellenleiter gleichzeitig nötig um mehrere Kanäle zu realisieren. Dies ist mit heutigen Verfahren nicht möglich. Ebenso kann der Stand der Technik eine Durchstim mung nach der Fertigung nicht realisieren, die aber notwendig ist um auf langfristige Drift und Versatz zu reagieren.
Dementsprechend soll mit der vorliegenden Erfindung primär eine optische Vorrichtung bereit gestellt werden, wobei die Kopplungsbandbreite der optischen Vorrichtung sehr breit ist und ein weites Spektrum an Wellenlängen über die optische Vorrichtung in ein externes Medium eingekoppelt werden kann. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, viele Glas fasern verlustarm mit erreichbaren Platzierungstoleranzen an einen Wellenleiter anzukoppeln.
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine optische Vor richtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium bereit. Die optische Vorrichtung umfasst zumindest eine Tap er- Struktur, wobei die Taper- Struktur ein Strahleneingangssegment umfasst, wobei das Strahleneingangssegment derart eingerichtet ist, einen Lichtstrahl aus dem Wellenleiter in die Taper-Struktur einzukoppeln, die Taper- Struktur ein Strahlenausgangssegment umfasst, wobei das Strahlenausgangssegment derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl zu fokussieren und in das externe Medium einzukoppeln, die Taper-Struktur zwischen dem Strahleneingangssegment und dem Strahlenausgangssegment zumindest eine erste Reflexionsfläche umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche derart eingerichtet den Licht strahl aus der Ebene des Wellenleiters heraus abzulenken.
Die Ankopplung des Wellenleiters an das externe Medium kann insbesondere bidirektional er folgen. Da der Strahlengang eines Lichtstrahls umkehrbar ist, bedeutet bidirektional im Zusam menhang mit dieser Erfindung, dass ein Lichtstrahl nicht nur mittels der optischen Vorrichtung aus dem Wellenleiter in das externe Medium einkoppelbar ist, sondern dass der Lichtstrahl auch mittels der optischen Vorrichtung aus dem externen Medium in den Wellenleiter einkoppelbar ist. Das Strahlenausgangssegment der zuvor beschriebenen optischen Vorrichtung ist dabei der art eingerichtet ist, den Lichtstrahl aus dem externe Medium in die Taper-Struktur einzukop peln, wobei der Lichtstrahl defokussiert wird, wobei die Taper-Struktur weiterhin zwischen dem Strahlenausgangssegment und dem Strahleneingangssegment zumindest eine erste Refle xionsfläche umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche derart eingerichtet ist, den vom Strahlen ausgangssegment kommenden Lichtstrahl in die Ebene des Wellenleiters hinein abzulenken. Das Strahleneingangssegment der zuvor beschriebenen optischen Vorrichtung ist derart einge richtet, den Lichtstrahl aus der Taper-Struktur in den Wellenleiter einzukoppeln.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist eine optische Vorrichtung bereitzustellen, welche die Modenanpassung von planaren Wellenleitern an ein externes Medium beispielsweise an eine optische Faser oder Mikroskopobjektive ermöglicht. Da der Strahlengang des Lichtstrahls um kehrbar ist, lässt sich somit auch das externe Medium an einen planaren Wellenleiter anpassen. Die Anpassung erfolgt dabei über eine dreidimensionale Taper-Struktur, die z.B. mittels direk tem Laserschreiben (DLW) generiert wird. Die optische Vorrichtung führt eine Änderung der Strahlrichtung der in der Ebene verlaufender Strahlen in die vertikale Dimension oder auch umgekehrt aus. Dazu wird insbesondere eine Reflexion des Lichtstrahls an einer Reflexionsflä che ausgenutzt.
Die optische Vorrichtung verwendet keine wellenlängenselektiven (insbesondere diffraktiven) Elemente. Daher ist die Kopplungsbandbreite sehr breit und ein weites Spektrum an Wellen längen kann über den Koppler in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Die Bandbreite ist nur durch das Transparenzfenster des Kopplers und des Wellenleiters beschränkt. Damit ist die Bandbreite um Größenordnungen besser als bei herkömmlichen Gitterkopplern oder andere diffraktiven Elementen. Die optische Vorrichtung ist insbesondere nicht durch Interferenzphä nomene limitiert und bietet daher eine enorme Bandbreite. Weiterhin ist die optische Vorrich tung Plattform- sowie Polarisationsunabhängig und kann zur Ankopplung beispielsweise an beliebige Wellenleiter verwendet werden, was enorme Flexibilität mit sich bringt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Reflexionsfläche eine Total reflexionsfläche ist. Die Totalreflexion hat den Vorteil, dass sie eine verlustfreie Strahlablen kung erlaubt.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Höhe der Taper-Struktur im Bereich des Strahleneingangssegments kontinuierlich verjüngt ist, während die Breite kon stant gehalten ist, wodurch ein Hohlleiterbereich gebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an das Strahleneingangs segment ein im Wesentlichen kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich an, wobei sich die Breite und die Höhe des kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereichs linear vergrö ßern. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an den kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich das Strahlenausgangssegment an, wobei das Strahlenaus gangssegment ein im Wesentlichen gewölbten Bereich umfasst, wobei der im Wesentlichen gewölbte Bereich die zumindest erste Reflexionsfläche umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Taper- Struktur zumindest eine weitere Reflexionsfläche.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Strahlenausgangsseg ment eine kollimierende Linse. Durch die Strahlkollimierung werden die Ausrichte-Toleranzen von dem externen Medium gegenüber der optischen Vorrichtung entspannt. Dies ermöglicht die Faserkopplung mit industriellen Methoden ohne die Feinjustierung einzelner optischer Vor richtungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das externe Medium eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter ein planarer Wellenleiter.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter auf einem Substrat angeordnet.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter als freistehen der Wellenleiter-Arm ausgebildet. Durch den freistehenden Wellenleiter-Arm kann durch die Verstellung des Neigungswinkels des Wellenleiter-Arms simultan der Ausgangswinkel der op tischen Vorrichtung eingestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Taper- Struktur aus einem Polymer gebildet.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die optische Vorrichtung mit tels 3D Druck insbesondere mittels direktem Laserschreiben hergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter Teil eines Wellenlei ter arrays.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung zur bidirektionalen
Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen
Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Draufsicht eines Wellenleiterarrays mit einer Vielzahl von
Wellenleitern und optischen Vorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eine optische Vorrichtung zur bidirektionalen
Ankopplung eines Wellenleiters an ein externes Medium gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 1 zur bidirektionalen An kopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem ersten Ausführungs beispiel der Erfindung. Die optische Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Taper- Struktur 2, wobei sich die Taper-Struktur 2 grob in zwei Teile unterteilen lässt: ein Strahlen eingangssegment 3, wobei das Strahleneingangssegment 3 zur Einkopplung eines Lichtstrahls 5 aus dem Wellenleiter 7 in die Taper-Struktur 2 dient und ein Strahlenausgangssegment 4, wobei das Strahlenausgangssegment 4 zur Fokussierung und Einkopplung des Lichtstrahls 5 in das externe Medium 6 dient. Die Einkopplung des Lichtstrahls 5 kann insbesondere bidirekti onal erfolgen. Da bei der optischen Vorrichtung 1 der Strahlengang des Lichtstrahls 5 umkehr bar ist, kann der Lichtstrahl 5 somit auch aus dem externen Medium 6 mittels der optischen Vorrichtung 1 in den Wellenleiter 7 eingekoppelt werden. Der Lichtstrahl 5 wird dabei aus dem externen Medium 6 in das Strahlausgangssegment 4 eingekoppelt und defokussiert. Der Licht strahl 5 wird dann mittels der ersten Reflexionsfläche 8 in die Ebene des Wellenleiters 7 hinein zum Strahleneingangssegment 3 hin abgelenkt und in den Wellenleiter 7 eingekoppelt. Das externe Medium 6 kann beispielsweise eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv sein. Das Strahleneingangssegment 3 umfasst bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich 10. Das Strahlenausgangssegment 4 umfasst dabei einen im Wesentlichen gewölbten Bereich 1 1, wobei der gewölbte Bereich 11 eine erste Reflexionsfläche 8 umfasst. Wie in Fig. 1 im Querschnitt gezeigt wird ein planarer Wellenleiter 7 an die Taper-Struktur 2 gekoppelt. Im Wellenleiter 7 propagierendes Licht wird zunächst in der Strahlgröße durch die Taper-Struktur 2 aufgeweitet. Der erzeugte Gaussche Strahl fällt da nach auf die Reflexionsfläche 8, an der Totalreflexion stattfindet. Dadurch wird die Strahlrich tung geändert und nach oben abgelenkt. Um einen kollimierten Strahl zu erhalten umfasst das Strahlenausgangssegment 4 einen im Wesentlichen gewölbten Bereich 11, wobei der gewölbte Bereich z.B. eine Linsenform haben kann. Die Taper-Stmktur 2 wirkt zum einen als Modentransformator, der die sehr kleine Mode eines Wellenleiters 7 an die breite Strahlform optischer Glasfasern oder Mikroskope 6 anpasst. An dererseits erlaubt die optische Vorrichtung 1 es, eine Strahlablenkung aus der Ebene zu errei chen, so dass Wellenleiter 7 von der Chipoberfläche 16 zugänglich werden. Dies erfolgt über mehrere Elemente, die in 3D Freiformschreiben erzeugt werden können. Ein adiabatischer Übergang der Wellenleitermode in einen in der optischen Vorrichtung frei propagierenden Gausschen Strahl erfolgt mittels der Taper-Struktur 2. Diese weitet das Strahleneingangsseg ment 3, das an den Durchmesser des Wellenleiters 7 angepasst ist auf, um Verluste an den Rändern zu verhindern. Die Strahlumlenkung erfolgt über Reflexionsflächen 8. Aufgrund des Brechungsindexkontrastes zwischen dem Medium der Taper-Struktur und dem umgebenden Medium kommt es zur Totalreflexion, die ohne Verluste erfolgt. Der Brechungsindexkontrast bestimmt darin den maximalen Neigungswinkel der erreicht werden kann. Wenn höhere Win kel erreicht werden sollen können mehrfach-Reflexionen eingesetzt werden, welche ebenfalls verlustfrei erfolgen. Nach der Reflexion wird der Strahl 5 kollimiert und an das anschließende an das externe Medium bzw. das Modenführungselement angepasst, welches eine Glasfaser oder ein Mikroskopobjektiv sein kann.
Der Wellenleiter kann beispielsweise aus Siliziumnitrid hergestellt sein. Das Strahleneingangs segment 4 kann beispielsweise aus einem Polymer bestehen und einen Polymer-Wellenleiter umfassen. Am Anfang des Strahleneingangssegments 4 wird für die Einkopplung des Licht strahls aus dem Wellenleiter 7 eine Eigenmodenquelle eingestellt, um die Lichtleistung eines Siliziumnitrids zu Polymer-Wellenleiter-Mode-Konverters nachzuahmen, der sich unmittelbar vor dem Strahleingangssegment 3 befindet. Der zunächst 0,5 pm breite Siliziumnitrid-Wellen leiter 7 ist linear nach unten verjüngt, während die Höhe des Polymer-Wellenleiters 4 kontinu ierlich auf schließlich 1 pm verjüngt wird, während die Breite auf 1 pm konstant gehalten wird. Dieser Querschnitt des Polymerhohlleiters 3 wird gewählt, da aufgrund der Abschottung durch das untenstehende Substrat 12 aus Siliziumoxid nur die Grundmodi unterstützt werden. Daher ermöglicht es eine adiabatische Umwandlung der beiden Grundmodi des Siliziumnitrid-Wel lenleiters 7 in die beiden Grundmodi des Polymer-Wellenleiters 3. Nach dieser Schnittstelle zur Polymerstruktur beginnt der kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich 10 der Taper- Struktur 2. Hier wird die Breite und Höhe des Polymerhohlleiters 3 linear vergrößert, bis der kegelförmige oder pyramidenförmige Bereich 10 auf den im Wesentlichen gewölbte Bereich 11 trifft. In diesem Bereich nimmt der Durchmesser des Strahls kontinuierlich zu und behält seine Gaussform. Da diese Erweiterung zunächst adiabatisch ist, ermöglicht dieses Schema eine getrennte Optimierung des hauptsächlich auf die Wellenlänge abzustimmenden Siliziumnitrid- Polymer-Wellenleiter-Modus-Konverters und der endgültigen Taper- Struktur 2, bei der der Modenfelddurchmesser der Faser, mit der das Licht gekoppelt wird, der zentrale Parameter ist. Wenn der Strahl nach der Verjüngung in den gewölbten Bereich 11 eintritt, breitet sich der Strahl freiraumartig aus. Aufgrund des relativ großen Strahldurchmessers im Vergleich zur Wegstrecke bis zur Linse des gewölbten Bereichs 11 weist der Strahl keine große Divergenz auf und breitet sich direkt zur Reflexionsfläche 8 aus, da dieser Abstand im Vergleich zur Ra- yleigh-Länge des Strahls am Ende des Kegels klein ist. Der Winkel der Reflexionsfläche 8 kann beispielsweise auf 39° in Bezug auf die Chipebene 16 gewählt werden, um dem 12° Winkel zu entsprechen, unter dem das 8° polierte Faserarray das Licht abgibt und sammelt. Nach der Re flexionsfläche 8 breitet sich der Lichtstrahl 5 in Richtung des gewölbten Bereichs 11 aus. Der gewölbte Bereich 11 dient dazu den divergierenden Strahl zu fokussieren und in das externe Medium 6 einzukoppeln.
Die Taper-Struktur 2 der optischen Vorrichtung 1 kann beispielsweise mit einem Direkt-Laser- Schreibsystem (Nanoscribe Professional GT), einem 63-fachen Objektiv und IP-Dip als Resist hergestellt werden. Zusätzlich ist die Kopplungseffizienz unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lich tes. Dies bedeutet, dass die optische Vorrichtung im Gegensatz zu herkömmlichen Gitterkopp lern Licht beider üblichen Polarisationen (TE und TM) mit der gleichen Effizienz einkoppeln kann, solange der anschließende Wellenleiter diese ebenfalls unterstützt.
Über die freie Wahl des Einfallwinkels kann die optische Vorrichtung 1 an beliebige Faseran ordnungen angekoppelt werden. So kann direkt unter 90° eingekoppelt werden, was für die mechanische Verbindung von Fasern 6 und Chip 16 von Vorteil ist. Für gerne eingesetzte po lierte Faserfacetten, die unter Winkeln angeschliffen sind um Rückreflexionen zu vermeiden, kann ebenfalls ein optimaler Kopplungswinkel gewählt werden. Auch kann unter flachen Win keln eingekoppelt werden, wenn die Faser nahe der Chipoberfläche geführt werden soll.
Die Form der Taper-Struktur 2 der optischen Vorrichtung 1 ermöglicht den Einsatz von Total reflexion für die Strahlumlenkung in einem integrierten Bauteil. Damit kann direkt aus beliebi gen Winkeln (und insbesondere vertikal) an Wellenleiter gekoppelt werden, was ein wesentli cher Vorteil gegenüber anderen Kopplungsmethoden (wie z.B. Seiteneinkopplung) ist. Andere vertikale Kopplungsmethoden (grating coupler) sind auf die Diffraktionswinkel der planaren Strukturen beschränkt und können daher insbesondere nur schlecht unter 90° angesprochen werden.
Weiterhin ist das Konzept mechanisch stabil und robust gegenüber Erschütterungen oder exter nen Störeinflüssen bei der Verwendung auf einem Chip 16.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer optische Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung. Für Anwendungen in denen geringerer Brechungsindexkontrast auftritt, z.B. wenn die Koppler in einem Medium 15 wie z.B. Wasser eingetaucht sind, können Mehrfach-Reflexionen ausgenützt werden um den Strahl abzulenken. Über die Anpassung des Beugungswinkels der Reflexionsfläche 8, 9 können beliebige Ausgangswinkel erfasst werden. Damit ist es insbesondere möglich unter 90° Einfall auf den Chip 16 zu koppeln.
Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht eines Wellenleiterarrays 13 mit einer Vielzahl von Wellenleitern 7 und optischen Vorrichtungen 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin dung. Über Markersuche und Alignment können viele optische Vorrichtungen 1 an Wellenlei terarrays 13 angesetzt werden und damit eine große Anzahl an Bauelementen optisch angespro chen werden. Die optische Vorrichtung 1 ist skalierbar und kann über skalierbare Fertigungs methoden hergestellt werden und ist damit für die Massenfertigung geeignet. Dies ermöglicht die direkte Ankopplung an Faserarrays 13 in welchen viele optische Fasern gebündelt sind. Durch die optische Vorrichtung 1 wird eine parallele und verlustarme Auslese vieler Wellen leiterkanäle 7 ermöglicht.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 1 zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters 7 an ein externes Medium 6 gemäß einem dritten Ausführungs beispiel der Erfindung. Die optische Vorrichtung 1 kann an beliebige Wellenleiter 7 angesetzt werden. Durch die adiabatische Aufweitung der Strahlform kann quasi verlustfrei eingekoppelt werden. Die optische Vorrichtung kann auch mit weiteren Chipelementen problemlos kombi niert werden. Durch die Fixierung der optischen Vorrichtung 1 an den Wellenleiter 7 kann der Koppler durchstimmbar im Emissionswinkel gemacht werden. Beispielsweise ist in Fig. 4 die Verwendung einer beweglichen Struktur gezeigt, wodurch der Strahlwinkel angepasst werden kann, ohne die Kopplungseffizienz zu verlieren. Dazu wird die Taper- Struktur 2 an einem frei stehenden Wellenleiter 14 befestigt. Dieser freistehende Wellenleiter- Arm 14 kann mechanisch beispielsweise mit Hilfe von Elektroden bewegt werden. Durch die Verstellung des Neigungs winkels des Wellenleiters 14 kann dann simultan der Ausgangswinkel der optischen Vorrich tung 1 eingestellt werden. Dies ermöglicht den Einsatz für Beam-Steering und Lidar-Anwen- dungen. Ebenfalls wird dadurch der Einsatz in Phase-Arrays und kollektiven Emittern ermög licht. Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden von der Europäischen Einion (H2020-EEi.1.1.) unter der Fördervereinbarung Nr. 724707 (PINQS) finanziert.
Bezugszeichenliste
1 optische Vorrichtung
2 Taper-Struktur
3 Strahleneingangssegment
4 Strahlenausgangssegment
5 Lichtstrahl
6 externes Medium
7 Wellenleiter
8 erste Reflexionsfläche
9 zweite Reflexionsfläche
10 kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich
11 gewölbter Bereich
12 Substrat
13 Wellenleiterarray
14 freistehender Wellenleiter-Arm
15 Medium

Claims

Patentansprüche
1. Optische Vorrichtung zur bidirektionalen Ankopplung eines Wellenleiters (7) an ein externes Medium (6) umfassend:
zumindest eine Taper-Struktur (2), wobei die Taper- Struktur (2) ein Strahlenein gangssegment (3) umfasst, wobei das Strahleneingangssegment (3) derart eingerichtet ist, einen Lichtstrahl (5) aus dem Wellenleiter (7) in die Taper-Struktur (2) einzukop- peln,
die Taper-Struktur ein Strahlenausgangssegment (4) umfasst, wobei das Strah lenausgangssegment (4) derart eingerichtet ist, den Lichtstrahl (5) zu fokussieren und in das externe Medium (6) einzukoppeln,
die Taper-Struktur (2) zwischen dem Strahleneingangssegment (3) und dem Strahlenausgangssegment (4) zumindest eine erste Reflexionsfläche (8) umfasst, wobei die erste Reflexionsfläche (8) derart eingerichtet den Lichtstrahl (5) aus der Ebene des Wellenleiters (7) heraus abzulenken.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Refle xionsfläche (8) eine Totalreflexionsfläche ist.
3. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Taper-Struktur (2) im Bereich des Strahleneingangssegments (3) kon tinuierlich verjüngt ist, während die Breite konstant gehalten ist, wodurch ein Hohllei terbereich gebildet ist.
4. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an das Strahleneingangssegment (3) ein im Wesentlichen kegelförmiger oder pyramidenförmiger Bereich (10) anschließt, wobei sich die Breite und die Höhe des kegelförmigen oder pyramidenförmigen Bereichs (10) linear vergrößern.
5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den ke gelförmigen oder pyramidenförmigen Bereich (10) das Strahlenausgangssegment (4) anschließt, wobei das Strahlenausgangssegment (4) ein im Wesentlichen gewölbten Be reich (11) umfasst, wobei der im Wesentlichen gewölbte Bereich (11) die zumindest erste Reflexionsfläche (8) umfasst.
6. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taper- Struktur (2) zumindest eine weitere Reflexionsfläche (9) umfasst.
7. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenausgangssegment (4) eine kollimierende Linse umfasst.
8. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Medium (6) eine optische Faser oder ein Mikroskopobjektiv ist.
9. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) ein planarer Wellenleiter ist.
10. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) auf einem Substrat (12) angeordnet ist.
11. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) als freistehender Wellenleiter-Arm (14) ausgebildet ist.
12. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taper- Struktur (2) aus einem Polymer gebildet ist.
13. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (1) mittels 3D Druck insbesondere mittels direktem La serschreiben hergestellt ist.
14. Optische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) Teil eines Wellenleiterarrays (13) ist.
EP20733207.3A 2019-06-06 2020-06-04 Optische vorrichtung Pending EP3997495A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019115410.3A DE102019115410B4 (de) 2019-06-06 2019-06-06 Optische Vorrichtung
PCT/EP2020/065462 WO2020245259A1 (de) 2019-06-06 2020-06-04 Optische vorrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3997495A1 true EP3997495A1 (de) 2022-05-18

Family

ID=71096667

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20733207.3A Pending EP3997495A1 (de) 2019-06-06 2020-06-04 Optische vorrichtung

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3997495A1 (de)
CA (1) CA3165847A1 (de)
DE (1) DE102019115410B4 (de)
WO (1) WO2020245259A1 (de)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7646949B2 (en) * 2007-07-27 2010-01-12 Kotura, Inc. Efficient transfer of light signals between optical devices
EP2442165B1 (de) 2010-10-15 2015-04-15 Huawei Technologies Co., Ltd. Kopplungsverfahren und Systeme mit einem Taper
US20190041582A1 (en) * 2018-05-15 2019-02-07 Intel Corporation Polymer optical coupler

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019115410A1 (de) 2020-12-10
DE102019115410B4 (de) 2023-07-27
CA3165847A1 (en) 2020-12-10
WO2020245259A1 (de) 2020-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3535615B1 (de) Verfahren zur herstellung eines optischen systems und optisches system
DE60301553T2 (de) Optischer schaltkreis mit optischen planaren hohlkern-lichtwellenleitern
DE60110901T2 (de) Faserkoppler, system und zugehörige verfahren zur reduktion von rückreflektionen
EP0629297B1 (de) Integriertes optisches bauelement
DE69733670T2 (de) Optischer demultiplexer mit einem beugungsgitter
EP0383138A2 (de) Vorrichtung für den optischen Direktempfang mehrerer Wellenlängen
DE10238741A1 (de) Planare optische Komponente und Kopplungsvorrichtung zur Kopplung von Licht zwischen einer planaren optischen Komponente und einem optischen Bauteil
EP0713112A1 (de) Optische Sende- und Empfangseinrichtung mit einem oberflächenemittierenden Laser
EP0890121A2 (de) Integriert optischer feldweitentransformator
DE102010031199A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Strahlformung
DE10320152B4 (de) Optikfaserkoppler mit erweiterter Ausrichtungstoleranz
DE69924391T2 (de) Beleuchtungssystem mit kantenbeleuchtetem wellenleiter und getrennten bauteilen für auskopplung und ablenkung des lichts
WO2002103867A1 (de) Opto-elektronisches lasermodul
DE102021201488A1 (de) Emissionseinheit und LiDAR-Vorrichtung
EP0607524B1 (de) Anordnung zur Ankopplung von Lichtwellenleiterenden an Sende- oder Empfangselemente
DE102019009399B4 (de) Optische Vorrichtung
DE102004038530B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Verbindung zwischen einem optoelektronischen Bauelement und einem Lichtwellenleiter
WO2020245259A1 (de) Optische vorrichtung
DE19711559A1 (de) Optischer Mehrfachschalter
DE19613755A1 (de) Optisches Koppelelement
DE102009023071A1 (de) Mikrooptisches Koppelelement mit integrierten optischen Wellenleitern
DE4208278A1 (de) Integriertes optisches bauelement
DE4301455A1 (de) Anordnung zur Ankopplung von Lichtwellenleiterenden an Sende- oder Empfangselemente
DE102012025565B4 (de) Optisches Kopplungssystem mit einem optischen Koppler und einem lichtdurchlässigen äußeren Medium sowie Herstellung und Verwendung eines solchen Systems
DE10123137C1 (de) Integriert-optischer Feldweitentransformator zur adiabatischen, monomodigen Feldanpassung

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20220331

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: PIXEL PHOTONICS GMBH